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負載點 DC/DC 轉換器應對電源系統設計挑戰

負載點 DC/DC 轉換器應對電源系統設計挑戰

2024/1/8 13:47:01

電源的最基本功能是以極高的效率將輸入的交流電壓轉換為一個或多個低電壓和高電流的直流電壓。要想通過減小導線電阻來實現相同的目標,需要將導體橫截面積增加四倍,無疑會增加重量和成本。RECOM 宣布推出兩款新型經濟高效的 DC/DC 穩壓器系列,它們作為“負載點”解決方案非常適合電源軌應用。

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圖 1:RECOM 的新型負載點 DC/DC 轉換器系列(來源:RECOM)

電源的最基本功能是以極高的效率將輸入的交流電壓轉換為一個或多個低電壓和高電流的直流電壓。典型設計首選包含功率因數校正 (PFC) 的大容量交流/直流轉換模塊,以最大限度地提高交流電源的可用功率并滿足各種監管功率因數要求。 

設計 DC/DC 架構的方法有很多種,但是為了在電源效率、器件尺寸、速度和成本方面取得突破,電源架構已從笨重且低效的集中式電源架構 (CPA) 發展為緊湊且高效的分布式電源架構 (DPA) 和中間總線架構 (IBA)。 

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圖 2:集中式和分布式電源架構(來源:作者)

圖 2 顯示了三種設計類型。CPA 架構在中央位置生成所有系統電壓,然后使用配電總線將所需的直流電壓(例如 12V、5V 和 3.3V)路由到各個 PCB 和設備。

相比之下,DPA 和 IBA 依賴于 24V 或 48V 的較高直流系統電壓。負載點 (PoL) DC/DC 轉換器 然后將電壓轉換為所需值。顧名思義,PoL DC/DC 轉換器無限靠近負載。

 

這兩種架構旨在最大限度地減少功耗。通過電阻連接(無論是電線、母線還是 PCB 走線)將電力從電源傳輸到負載的過程中,都會產生熱量形式的功率損耗,稱為配電損耗。電流的配電損耗與電流的平方成正比,計算公式如下: P = I2R,其中 R 是電線或母線的電阻。減少配電損耗就需要減少電流或電線的電阻。 

為了保持向負載提供的總功率不變,如果降低電流就需要增加電壓 (P = VI)。例如,將電壓從 24V 增加一倍至 48V,電流可減少 50%,從而使配電損耗減少 75%。要想通過減小導線電阻來實現相同的目標,需要將導體橫截面積增加四倍,無疑會增加重量和成本。 

選擇分布式電源架構的另一個原因是熱管理可以獲得改進。分布式設計將發熱元件分布在設備的整個表面區域,以最大限度地減少熱點。熱量對電子元件危害極大。眾所周知,工作溫度升高會導致元件故障率大幅增加。在某些應用場合中,例如體育場館或拉斯維加斯賭場使用的大型 LED 顯示屏,隨處可見過熱導致的屏幕損壞。LED 的光輸出隨著結溫的升高而下降。局部熱點可能會導致 LED 元件快速失效,并且在整個使用周期內顯得更暗。

 

DPA 還是 IBA——如何選擇?

許多工業和工廠自動化應用使用 5V 或 3.3V 電壓作為數字設備的系統電壓。這些應用非常適合采用在每個負載處配置單個 PoL DC/DC 轉換器的 DPA,以便將 48V 電源軌降壓至低電壓。

然而,許多其他應用,包括 4G 和 5G 電信裝置、數據中心的高性能刀片服務器機架、云計算和企業 IT 系統,主要依賴于具有小尺寸設計的 MPU、GPU 和 ASIC 等數字設備,這些數字設備的運行電壓為 1.8V 甚至更低。這些設備需要電源提供數百安培電流和極快的瞬態負載響應。單步將 48V 降壓至 1.8V 的效率很低,因為 DC/DC 轉換器開關晶體管的占空比非常低,導致瞬態響應緩慢。

對于上述應用,IBA 是首選。中間 DC/DC 轉換器級將 48V 轉換為 3.3V 或 5V 等電壓,PoL DC/DC 轉換器執行 3.3V 至 1.8V 的最終轉換。此外,輸入和輸出之間的比率較小,可以實現更快的響應時間。

面向 PoL 應用的 DC/DC 轉換器

RECOM 宣布推出 RPMGQ-20 和 RPMGS-20,兩款新型經濟高效的 DC/DC 穩壓器,作為 DPA 中的 PoL 解決方案,特別適合 24V、28V 和 48V 電源軌。

RPMGQ-20 和 RPMGS-20 是開放式框架通孔非隔離 DC/DC 降壓轉換器,額定輸出電流為 20A。RPMGQ-20 采用行業標準的四分之一磚引腳輸出,而 RPMGS-20 采用新興的標準封裝尺寸 36.83mm x 34.04mm (1.45" x 1.34"),采用標準的十六四分之一磚引腳輸出。兩款產品距安裝表面的最大高度均為 15mm。它們支持 18V–75V 輸入,可選標稱輸出為 5V 或 12V,可在較寬電壓范圍內調整,分別為 3.3V 至 8V 和 8V 至 24V。

RPMGQ-20 和 RPMGS-20 部件的效率非常高,12V 輸出版本的峰值為 98%,5V 輸出版本的峰值為 94%,低至 10% 負載左右時效率曲線幾乎沒有變化。由于低損耗和先進的熱設計,所有型號均可在環境溫度超過 90°C 并存在氣流的條件下實現滿載,120°C 時需要降額。

該產品具有輸入欠壓、輸出過流、短路和過溫等全面保護功能。還提供遙感和控制輸入功能。

結論

客戶對更高效率、更好熱管理和更高瞬態性能日益嚴格的要求促進了電源架構設計的發展。具有高效率的 PoL 和中間總線 DC/DC 轉換器是這些新方法的關鍵組件,RECOM 的新型 RPMGQ 開放式框架設計是分布式電源應用的理想之選。

審核編輯(
王靜
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