使用固定比率转换器提高供电网络效率

绝大多数机电负载或半导体负载都需要稳定的 DC-DC 电压转换及严格的稳压,才能可靠运行。执行该功能的 DC-DC 转换器通常称作负载点 (PoL) 稳压器,设计时具有最大输入电压及最小输入电压规格,其规格定义了它们的稳定工作范围。这些稳压器的供电网络 (PDN) 的复杂性可能会因负载的数量和类型、整体系统架构、负载功率级、电压等级(转换级)以及隔离和稳压要求的不同而不同。

许多电源系统设计人员将稳压的 DC-DC 转换器视为整体设计的关键。但将合适的电压提供给负载点稳压器,不一定都需要 PDN 稳压,或者对于中间配电母线电压而言 PDN 稳压并不那么重要。考虑这一点时,电源系统工程师应该考虑应用固定比率 DC-DC 转换器,它可显著的提升PDN 的整体性能。

如何优化供电网络

PDN 性能通常以功耗、瞬态响应、物理尺寸、重量及成本来衡量。影响 PDN 性能的一个主要设计挑战是电压转化的比例和高精度的线/负载调整率。工程师花了大量的时间来处理大量不同的输入/输出 电压转化率,动态调整率以及分布特性来提高性能和可靠性。

如果系统负载功耗处于千瓦级范围内,采用高压设计大容量 PDN,可减少在系统中的电流等级 (P=V•I),因此可以缩小 PDN 尺寸,减轻重量并降低成本(线缆、母线排、主板铜箔电源层)(PLOSS = I2R)。在转换为低压/大电流前,最大限度延长高电压运行时长,尽可能接近负载,是一大优势。

但要让高压、高功率 PDN 接近负载,则需要具有高效率及高功率密度的 DC-DC 转换器。如果输入至输出电压转换比例很大,例如 800V 或 400V 转 48V,最高效率的转换器是提供非稳压的固定比率转换器。这些高效率的转换器,不仅可提供更高的功率密度,而且还因较低的功耗,可提供更便捷的热管理。

何为固定比率转换器?

固定比率转换器的工作原理与变压器类似,但它执行的不是 AC-AC 转换,而是 DC-DC 转换,输出电压为 DC 输入电压的固定比例。与变压器一样,这种转换器不提供输出电压稳压,输入至输出变压由器件的“匝数比”决定。该匝数比称为 K 因数,表示为一个相对于其电压降压能力的分数。K 因数从 K=1 到 K=1/72 不等,可根据 PDN 架构及 PoL 稳压器设计规范进行选择。

使用固定比率转换器提高供电网络效率

图A:双向固定比率转换器的工作原理。 K=1/16 的降压换器,也可用作 K=16/1 的升压转换器。

典型 PDN 电压有低电压 (LV)、高电压 (HV) 和超高电压 (UHV)。

固定比率转换器电压类别
LV 48V、28V 或 24V HV 380V、270V UHV 800V、600V、540V

固定比率转换器可以是隔离的,也可以不是隔离的,而且可通过反向电压转换实现双向功率流。例如,一款支持双向功能的 K=1/16 固定比率转换器可以作为一款 K=16/1 的升压转换器。

额外的设计灵活性包括易于并联(可满足更高功率的电源要求)和串联转换器输出的选项(可通过有效改变 K 因数,提供更高的输出电压)等。

使用固定比率转换器提高供电网络效率

图 B:BCM 转换器易于并联,满足更高的电源需求。

众多终端市场及应用的电源需求急剧上升,因此供电网络正在经历重大变革。由于新特性的增加以及性能水平的不断提升,更高的 PDN 电压(如 48V)正在用于电动汽车、轻型混合动力车以及插电式混合动力汽车。48V 符合许多系统要求的安全电气低电压 (SELV) 标准,而 P=V•I 和 PLOSS=I2R 的简单电源方程式也说明了高压 PDN 效率更高的原因所在。

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