现代分布式电源架构的关键技术挑战及应对措施（下）

由 editor Chen 提交于周二, 22 十一月 2016 - 14:56

上篇我们提到，目前已经存在完整的AC / DC前端电源模块，可以简化DPA的前端设计，这些模块如表1所示。这些产品都提供了主动式PFC，负载范围内效率高，电源密度高以及还有过压、过流和过热保护。此外，部分型号还提供先进的功能，如热插拔功能，利于N +1冗余的有源负载共享，利于可扩展的并联，以及带有I2C、PMBus或以太网接口的板载微处理器，以实现根据负载等级或其他参数的实时监控和动态数字优化。

<table cellspacing="0" cellpadding="0">
<tbody>
<tr>
<td width="93">厂家</td>
<td width="81">产品型号</td>
<td width="51">输出功率</td>
<td width="76">输入电压为230伏时的效率</td>
<td width="65">输出电压(伏)</td>
<td width="102">功率因数</td>
<td width="85">物理尺寸和形状</td>
<td width="93">特性</td>
</tr>
<tr>
<td width="93">Artesyn Embedded Technologies</td>
<td width="81">HPS3000</td>
<td width="51">3000瓦</td>
<td width="76">负载10%时效率82%
满载时效率为 90%</td>
<td width="65">48</td>
<td width="102">典型值0.97
满足EN61000-3-2
标准</td>
<td width="85">1Ux3U</td>
<td width="93">热插拔，N+1冗余，PMBus，数字化技术，4路并行=12KW，PoE</td>
</tr>
<tr>
<td width="93">Cincon</td>
<td width="81">CBM100S</td>
<td width="51">100瓦</td>
<td width="76"> 
负载10%时效率75-80%
满载时效率为 90-91.5%</td>
<td width="65">12, 24, 28, 36, 48</td>
<td width="102">满足EN61000-3-2
标准</td>
<td width="85">封装，电路板安装，全砖</td>
<td width="93">底板冷却（无需风扇），低配17毫米，空载功耗<0.5瓦</td>
</tr>
<tr>
<td width="93">GE Critical Power</td>
<td width="81">CAR1248</td>
<td width="51">1200W</td>
<td width="76">满载时效率为91%</td>
<td width="65">48</td>
<td width="102">典型值0.99，
满足IEC555, EN60555-2, EN61000-3-2
标准</td>
<td width="85">1Ux2U</td>
<td width="93">单线有源电流共享;远程开/关，遥感和控制电路，I2C接口</td>
</tr>
<tr>
<td width="93">Mean Well</td>
<td width="81">RSP-150</td>
<td width="51">150W</td>
<td width="76">81.5% -90%</td>
<td width="65">3.3, 5, 7.5, 12, 13.5, 15, 24, 27, 48</td>
<td width="102">输入电压为230V时，满载为0.93</td>
<td width="85">1U</td>
<td width="93">对流冷却，低配时30毫米，远程开/关</td>
</tr>
<tr>
<td width="93">Murata</td>
<td width="81">D1I86G</td>
<td width="51">460W</td>
<td width="76">负载10%时效率83%
负载50%时效率92%
满载时效率为88%
 </td>
<td width="65">12</td>
<td width="102">输入电压230V时，满载为0.99</td>
<td width="85">1U</td>
<td width="93">包括待机12 V输出，热插拔，N+1，下垂均流，内部风扇，PMBus</td>
</tr>
<tr>
<td width="93">Murata</td>
<td width="81">MVAC250</td>
<td width="51">250W</td>
<td width="76">负载10%时效率82%
满载时效率为 94%
 </td>
<td width="65">12, 24, 50</td>
<td width="102">输入电压230V时，满载为0.96
 </td>
<td width="85">1U</td>
<td width="93"> 
第三版医疗认证，对流散热，隔离12V风扇输出，隔离5V待机输出，电流共享选项</td>
</tr>
<tr>
<td width="93">Power-One</td>
<td width="81">ABC/MBC450</td>
<td width="51">450W</td>
<td width="76">90% (24伏, 48伏, 30伏), 86% (12伏, 15伏), 满载时83% (5伏) </td>
<td width="65">5, 12, 15, 24, 30, 48</td>
<td width="102">输入230V时为0.95</td>
<td width="85">开放帧, 3”x5”</td>
<td width="93">MBC=第三版医疗认证以及高隔离</td>
</tr>
<tr>
<td width="93">TDK-Lambda</td>
<td width="81">HFE</td>
<td width="51">1600W, 2500W</td>
<td width="76">负载75%时为90-93% </td>
<td width="65">12, 24, 48</td>
<td width="102">输入230V时，满载为0.98
 </td>
<td width="85">1U</td>
<td width="93">5路并行=7600W，通过I2C和PMBus进行远程编程的MU（消息单元），负载分流</td>
</tr>
</tbody>
</table>
表1.最新引进AC/ DC电源模块，前端DPA应用

中间总线架构（IBA）

IBA可以说是一个多级的DPA，它在前端电源和POL转换器之间插入了另一级电源分配。过去的十多年演化中，它在DPA中主要是努力提高效率，同时降低成本和缩减大小。尽管传统电信DPA可能通过48V背板电压分发电源给每个机架/阵列中的板上隔离DC/ DC模块，以提供所有负载所需的电压，而在IBA使用单个中间总线转换器替代了多个相互隔离的DC / DC模块，与非隔离式负载点转换器（niPOL）一起提供多电压。在电气隔离之外，IBC还提供一个最佳的中间总线电压，比如从48 V配电母线中提供12 V的中间电压。

虽然IBA架构比较流行，但并非适用所有应用，因此需要仔细评估电源系统以确定最佳的电源分配架构。因为采用三级转换，整体效率可能因此降低，并且采用IBC还是采用分离POL模组的成本和面积的权衡必需进行分析。此外，因为广泛采用同步整流，交流/直流前端也能输出与高电压效率相同的低电压，如3.3伏、5伏和12伏（见表1），从而降低了中间总线的需求。在较低的电流下分配较高的电压，比如48伏，也确实降低了对重铜轨/母线和特殊高电流连接器的需求，因此从这个方面来说，相对于取得相同功率的高电流低电压分配方式，节省了成本也降低了面积大小。

在选择IBC时，需要寻找一个隔离的降压型DC/ DC转换器，在标称分布总线输入的整个范围内提供额定输出电压。在德州仪器白皮书“使用中间总线架构提高系统效率”中，作者RaisMiftakhutdinov列出了以下需要考虑的要求和参数，其最重要的目标是低成本前提下的高效率和高功率密度：
• 效率: 96 to 97%（典型值）
• 功率密度: >250 W/in3
• 成本: 每瓦特0.10到0.20美元
• 输入电压范围:
o 对于服务器和存储设备是43到53伏
o 对于企业系统是38到55伏
o 对于窄范围电信是36 到60伏
o 对于宽范围电信是36 到75伏
o 对于医疗和数据中心这样的高压系统是380到420伏
• 功率范围: 150到600瓦甚至更高
• 对于48V标定输入电压，大多数流行转换比率是4:1, 5:1, 以及6:1
• 机械外形和尺寸:
o 对于240瓦输出功率是1/4砖
o 小于240瓦输出功率时是1/8或小至1/16砖
• 开关频率:相对较低，大约100到200 kHz
• 大多数流行的功率层级拓扑结构：全桥，半桥
• 辅助侧整流: 基本全部使用同步MOSFET，自驱动或者控制驱动整流器
• 控制方法：完全调节、半调节或不受调节

IBC可归类为上述提到的三种不同类控制方法：完全调节、半调节或不受调节。

完全调节的IBC在一系列不同的电源线和负载条件下维持一个恒定的输出电压。因为它可以处理很宽范围的输入电压，如果配电母线的期望调节能力较差时，就可以采用这种IBC。对于标称48 V的输入，完全调节IBC可以指定36到75 伏的最小/最大输入范围。在所有三种控制类型中，它的缺点是最低效率（典型值为93％）、最低功率密度以及最高成本。

完全调节IBC目前的可选件很多，包括爱立信的BMR456和BMR457系列，这两个系列也被电子产品杂志授予2012年度最佳产品。智能产品利用固件和通过PMBus的控制来降低功耗，取决于不同应用类型，可以降低3〜10％的电路板功耗。1/4砖BMR456输出电压可以在13.0伏至8.2伏的工作范围内进行调整，1/8砖BMR457提供13.2 伏至8.2伏输出电压，可调低至6.9 伏。

半调节IBC支持与全面调节IBC等同的宽输入范围，但它的输出在整个输入电压范围内不受调节。虽然相较于完全调节IBC的效率有所提升（典型值为95％），但半调节IBC比不受调节的控制方式效率低点，成本也高点。

最后一类IBC提供了一个不受调节的输出电压，以固定的比例随输入电压而变化。例如4：1的固定比率IBC，在输入电压范围窄至36至60伏时，将产生一个9伏至15伏的输出，这种类型IBC的效率最高（97％典型），功率密度最高，并且成本也最低。

近期全行业范围内的采用半调节和不受调节IBC时造成的知识产权问题，极大地限制了这些类型IBC的购买和使用。德州仪器基于UCC28230高级PWM控制器的UCC28230EVM是一款少有的仍然可以买到的相关产品。该评估模组展示了一个300瓦、效率96％的不受调节总线转换器设计，在43 V至53 V的输入电压范围内输出9.6伏的标称电压。

非隔离负载点 (niPOL) DC/DC转换器

通过AC/DC前端来完成基本隔离，以及IBA中的IBC来提供完全隔离，外形小且性价比高的niPOL也可用于负载供电。当前的DSP、FPGA和ASIC需要越来越低的POL电压以及大辐上升的电流，为适应这些趋势DC/ DC转换器需要更严格的调节和更低的噪声表现。幸运的是，电路板设计师拥有很多不错的选择，比如线性稳压器，开关稳压器，以及二者的结合。

如果可能的话，选择线性稳压器直接为信号调节和信号处理元件提供电源。所有电压调节器都将产生噪声，但线性调节器内在的特性保证它比DC-DC转换器的另外一个选择开关稳压器生成更少的噪声。线性稳压器也能提供良好的电源纹波抑制比（PSRR）。任何开关模式电源的开关频率下，高PSRR规范在送入线性稳压器的输入端时将有助于衰减该开关噪声，所以噪声不会被引入信号链中从而造成干扰的问题。这种技术被称为后调节。附加滤波可能需要在高频时抑制噪声，因为PSRR随着频率增加会逐步回落直至降低为0分贝。

德州仪器TPS7A4700是一个低噪声、1-A低压差线性稳压器，输入电压范围很宽，为3〜36 V，输出电压则为1.4 V至20.5 V，并且具备超低噪声（4.17μVRMS）和高PSRR值（1kHz时80-dB）。该器件是运算放大器、模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC），以及其它高性能模拟电路的理想供电选择。

线性稳压器的缺点是，它们电源转换效率有限，因此会生成热量。可以使用公式Pdiss=(Vin – Vout)*Iload 来计算应用中的电源散热，并将所得瓦数与封装的热额定值进行比较。如果结果看来将出现散热问题，就需要选择更耐热的增强型封装，比如QFN，或考虑使用开关转换器来代替。一般来说，这种情况下，负载电流会持续比1A大不少。不过，也有1.5-A，2-A和3-A等常用额定线性稳压器。

随着输入和输出电压差的增大以及负载电流的增加，开关DC / DC转换器提供比线性稳压器更高的效率。在选择开关时需要考虑几个因素。首先，寻找低的输出电压纹波，一般来说应该低于30 mVpp。如果需要更平缓的电源，应该在开关后面加入线性稳压器以进行后调节。其次，选择一个较高的开关频率，以实现更小的封装和更好的瞬态响应，同时也避免了较低频带时的噪声，因为这些噪声可能是破坏性的。另一个期望的特性是考虑开关频率同步。同样的，在一个具备多转换器的系统中，不匹配的开关频率能产生一种叫做拍频现象的干扰。同步调节器的开关频率能防止拍频现象的形成。此外，它有助于让系统内生成的EMI保持在一个可预测的频率组。

同时考虑一下，目前的设计正在采用FPGA和DSP，这些设备正在推动技术走向极限，会造成一些意想不到的结局。一个给定的器件可能需要加电顺序，软启动或电源状况指示以正常运行。现代电源管理方案具备这些综合能力。表2列出了各种开关DC / DC降压转换器，以及niPOL理想的特性。

<table cellspacing="0" cellpadding="0">
<tbody>
<tr>
<td width="62">供应商</td>
<td width="64">器件</td>
<td width="47">输入电压(伏)</td>
<td width="67">输出电压(最小) (伏)</td>
<td width="44">输出电流(安)</td>
<td width="76">输出电压纹波(mVpp)</td>
<td width="86">开关频率</td>
<td width="52">频率同步</td>
<td width="52">加电顺序</td>
<td width="42">软启动</td>
<td width="48">电源状况指示</td>
</tr>
<tr>
<td width="62">Intersil</td>
<td width="64">ISL8206M 电源模组</td>
<td width="47">1 to 20</td>
<td width="67">0.6</td>
<td width="44">6</td>
<td width="76">8</td>
<td width="86">600 kHz</td>
<td width="52">无</td>
<td width="52">无</td>
<td width="42">是</td>
<td width="48">无</td>
</tr>
<tr>
<td width="62">On Semi</td>
<td width="64">NCP1592 集成FET开关</td>
<td width="47">3 to 6</td>
<td width="67">0.891</td>
<td width="44">6</td>
<td width="76">10</td>
<td width="86">280 kHz到700 kHz</td>
<td width="52">是</td>
<td width="52">无</td>
<td width="42">是</td>
<td width="48">Yes</td>
</tr>
<tr>
<td width="62">TI</td>
<td width="64">TPS54620 集成FET开关</td>
<td width="47">4.5 to 17</td>
<td width="67">0.8</td>
<td width="44">6</td>
<td width="76">33 (每 EVM)</td>
<td width="86">200 kHz到1.6 MHz</td>
<td width="52">是</td>
<td width="52">是</td>
<td width="42">是</td>
<td width="48">是</td>
</tr>
<tr>
<td width="62">TI</td>
<td width="64">TPS84621 电源模组</td>
<td width="47">2.95 to 14.5</td>
<td width="67">0.6</td>
<td width="44">6</td>
<td width="76">30</td>
<td width="86">250kHz 到780 kHz</td>
<td width="52">是</td>
<td width="52">是</td>
<td width="42">是</td>
<td width="48">是</td>
</tr>
</tbody>
</table>
表2: niPOL的开关DC/DC转换器

如果电路板空间十分宝贵，考虑一下现代电源管理解决方案，将开关DC / DC转换器和后调节线性稳压器集成到一个单一的小型封装中。其中一个案例是TI的TPS54120。该器件组合了高效率开关DC / DC转换器和低噪声、高PSRR低压差线性稳压器，支持1-A、噪声敏感的应用。该TPS54120还包括开关频率同步、软启动和电源状况指示灯，采用3.5毫米x5.5毫米的紧凑空间以及热增强型QFN封装。

总结

现代DPA的复杂性在增加，许多新的因素需要考虑，包括标准和法规，知识产权，以及不断演化的趋势。贸泽致力于帮助设计师提供DPA不同阶段所需的主要组成部分，以及许多被动和机械组件，从而绑定到一起形成完整方案。