是什么驱动了DC-DC转换器不同输入/输出比的需求？

摘要

在配电系统中，中间总线的使用是在损耗和实用性之间实现最佳折衷的一个方式。随着功率转换和半导体技术的进步，最“理想”的总线电压多年以来一直在不断变化中。我们将在本文中讨论其中的一些限制和考虑因素。

最常见的电源转换功能是从交流（AC）市电转换到低压直流（DC）电压。随着应用设备功率水平的提高，例如在AI和云计算硬件领域中所见的情况，输入和输出之间电压的差距不断扩大。最大的工业或数据中心系统可能具有400V三相AC输入电压，以及最终低于1V的DC输出电压，用于支持处理器或类似的复杂IC。如何高效地进行这类转换，至少从20世纪80年代以来一直是一大话题。多年来，各式技巧不断涌现又消失，而功率水平和技术已发生改变和演进。

在端到端功率转换中有着多种选择

的确，首先得将AC输入进行整流，以满足必须执行的功率因数校正和“通用”AC输入的需求，接着会产生例如400V左右的DC电压轨，用于单相供电。接下来的挑战是在最小的传输与转换损耗下，将其转换为应用电压。不过也有其他因素需要考虑，必须为任何60V以上的电压提供安全隔离，必须控制电磁干扰（EMI）水平，线缆和转换器成本必须最小化，端电压必须准确，而且有时需可调整。由于使用的转换器必须紧凑，以便在接近负载的同时又能充分冷却，功率密度越来越重要。首选的解决方案是生成一个或多个中间总线，以在较高电压下进行配电，此情况下给定功率的欧姆损耗较小，例如，48V的欧姆损耗比12V低16倍，因为电流为四分之一。随后，通过更多的“负载点”（PoL）DC-DC转换器、电压调节器模块（VRM）或越来越多的集成功率级（IPS），将所谓的智能功率级与必要的输出电感器和附加组件结合在一起，向下转换为最终电压。现在需要做出一些选择了——什么样的总线电压是最佳的，哪些阶段需要隔离，哪些阶段需要稳压？

图：稳压、隔离和总线电压的一些选择

生成第一轨上的总线电压的初始AC-DC级必须被隔离，以满足安全标准。但在这之后，如果电压低于60V，则隔离是出于功能原因，用于断开接地回路、缓解EMI问题并提供一种通过变压器匝数以大比率降低电压的方法。因此，48V及其容差范围是一个很好的选择，也是适合使用备用电池的电压轨。在系统板上，过去的PoL转换器只有在输入/输出电压差较低且输入范围较窄的情况下才具有可接受的效率，因此通常会使用4:1的中间总线转换器（IBC），它具有从48V隔离转变出稳压12V，为PoL供电，而PoL在当时的输出需求可能仅为5V或3.3V。然而，这种IBC的效率有限，但由于48V输入相对稳定，它不需要稳压，所以在当时大受欢迎。只要PoL能够接受一定的输入电压变化，IBC就可以变成一个简单的固定“比率转换器”，这样效率更高，在动态性能方面也有一些好处。某些方案，如Flex Power Modules的BMR492，具有“混合稳压比率”，保持固定比率直到一定输入电压下，然后切入稳压操作，以限制总输出电压变化，同时保持较高的总效率。类似地，如果忽略隔离操作，高效“开关电容器”电路可以用作IBC，例如Flex Power Modules的BMR310，但它再次被限制为固定比率，在此情况下，该比率必须是整数（4:1）。或者，像Flex Power Modules的BMR313/314这样的非隔离和非稳压式部件，使用其“谐振DC变压器（DCX）”拓扑结构，可以在1kW额定功率下以4:1的转换比实现97%以上的效率。

PoL转换器具有更宽的输入范围的和降压比，效率越来越高

万幸的是，PoL拓扑和半导体开关技术的进步，使得它们更加高效，拥有更宽的输入范围，和达到低于1V水平的高降压比，因此系统设计者现在有了更广泛的选择。例如，输入范围为40–60VDC的IBC可以输出10–15VDC（4:1）；8–12VDC（5:1）；6.7–10VDC（6:1）；5–7.5VDC（8:1）或4–6VDC（10:1）。IBC电压越高，电流越小，PCB布局越简单，但更低的IBC电压可以使下游PoL、VRM或IPS的运行效率更高。可以使用输入范围来做出这些选择，以匹配在给定负载下表现出最佳效率的产品。举例来说，可以将8:1 400W Flex BMR320和即将推出的的FLEX BMR515 16相IPS配对使用，该IPS针对4.5–7.5V输入进行了优化。这个搭配可以在0.5–0.9V的电压下向GPU提供高达670A的电流，并且能够在短时间内提供峰值电流。

随着终端负载功耗的进一步增加，可以使用一些技巧来维持高效。例如，多相PoL降压转换器可以在更宽的负载范围内拥有优化的效率，而功耗特别高的终端设备可以有自己的“功率岛”，该岛上设有专用的两级中间总线，为实现最佳效率量身定制。PoL的效率也可以通过仅需要最小额定电压的MOSFET开关来优化，因为在所有条件相同的情况下，使用较低额定电压的设备可以使导通电阻自然降低。MOSFET制造商们已经认识到这一现象，并越来越多地提供15V设备，这些设备可与低总线电压匹配使用。不仅于此，它们能够在较高的频率下切换，以减少电感器和电容器的尺寸和内部损耗。如此一来可以释放PCB面积，以便使用具有自身效率增益的多相PoL。

为了获得最佳的整体系统效率，需要全局视角

在某些特定场景下，对效率和所需性能的分析表明，从48V到低至0.5V输出的“直接转换”可以产生比IBC和PoL的组合更高的效率、更低的系统规模和成本。Flex Power Modules的BMR481/2就是很好的例子。

Flex Power Modules的最新技术进步拓宽了系统设计者们的选择范畴。他们现在可以从“整体”系统视角来在合适的位置选择是否需要隔离和稳压，以实现最佳整体效率和功能。

审核编辑 ：李倩