《正弦振幅转换器 拓扑结构为中间总线架构应用提供卓越效率和功率密度》由会员分享，可在线阅读，更多相关《正弦振幅转换器 拓扑结构为中间总线架构应用提供卓越效率和功率密度（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、VICOR 白皮书moc . rewoproc i v1 / 7 页简介计算机配电发展简史正弦振幅转换器拓扑结构为中间总线 架构应用提供卓越效率和功率密度Maurizio Salato，应用工程部，Vicor公司目录页简介计算机配电发展简史 正弦振幅转换器的工作IBC特点和优势结论3Vicor VI BRICK 6711正弦振幅转换器（Sine Amplitude Converter，SAC）拓扑结构是Vicor的新型VI BRICK 母线转换器产品核心的动态、高性能引擎。SAC拓扑结构是Vicor核心技术， 首次推出的是VI Chip BCM 母线转换器，为寻求最大限度提高系统性能，并获得竞
2、 争优势的OEM电源设计人员提供了业已证明的无与伦比的优势。本白皮书将探讨SAC 拓扑结构的工作，并介绍Vicor的正弦振幅转换器在中间总线架构应用中的市场有效性 和效益的具体实例。本文考察了VI BRICK IBC在效率、功率密度和瞬态响应方面的性 能及其重要因素。我们将使用计算机系统提供的环境来解释基于SAC的IBC所实现的独特优势。计算系 统是高性能电源一个非常大的市场，代表了向提供多路低电压、大电流电源轨过渡的 所有系统的普遍挑战。要进一步了解当前的配电技术，追溯和回顾随着计算机系统功耗和复杂性的增加而发 生的变化非常有用。现代计算机配电技术的推动力是为系统中各种设备提供干净的DC 电
3、源轨的需求，包括组成系统的微处理器、存储器子系统、大容量存储、网络设备及 模拟和数字接口。早期的系统从中央电源产生所有所需的级别，并通过母线将其分配 到所有系统机架、背板和PCB，旨在最小化由来自开关负载的轨引起的压降和电气噪 声。只要电源母线（尤其是返回路径）大小合适，并适当应用去耦来处理系统元件产 生的噪声频谱，这种方法就非常有效。随着系统速度的增加，使用领先工艺的芯片设计人员被迫降低了电源电压，以适应更 小的晶体管几何尺寸。5伏轨降到3.3伏轨，然后是1.8伏，甚至是今天的系统中高端微 处理器所需的更低电压。作为降低电源电压的一种结果，数字逻辑信号的噪声幅度也 收缩了。由于现代芯片上能够
4、集成大量的晶体管，供电电流急剧增加。这些因素结合起来增加 了对更好稳压和低噪声，同时以低电压提供大电流的电源的需求。虽然领先的器件是 推动迈向低电压的动力，但遗留和机电器件仍需要旧的12伏和5伏电压等级。集中配 电受到了这两个趋势的严峻挑战。与此同时，工程师缩小了开关电源，将它集成到一 个新的紧凑型模块化DC-DC转换器“砖”外形尺寸中。DC-DC转换器砖实现了DC电 源配电的革命。但在所有最小的系统中，集中式供电让位给了中央电源设计（或可能 是针对冗余的一对或更多电源），为整个系统配电产生相对高电压（通常为48 Vdc） 的母线，而从本地负载所在的背板或PCB上的DC-DC转换器获得所需的电
5、源电压。这 大大降低了配电母线的电流等级以及I2R损耗，但需要在大型系统中使用多个DC-DC 转换器模块。这种分布式母线架构解决了集中式架构的许多问题，但最终带来了一些 新的设计挑战。不过，DC-DC转换器增加了成本，并占去了负载点宝贵的空间。一个应对挑战的解决方案是中间母线架构（IBA），其中PCB上的配电母线（48 V） 下降到中间母线等级（5 15 Vdc），随后通过负载点稳压器降到负载点所需的器件 等级。在一个标准化实现的IBA设计中，母线转换器（降低了从配电等级到中间等级 的电压）通过一个变压器提供DC隔离和固定比转换电压，但是没有稳压。中间母线电 压被馈入POL稳压器，这些稳压器是
6、简单的非隔离降压稳压器（niPOL），以半稳压 中间母线作为输入，并提供一个较低的、稳压的输出电压。IBA已在各种应用中广泛 采用，包括计算和通信，以及众多生产器件的功率元件公司，都符合这个IBC和niPOL 模块的一般描述。Vicor开发了不同方法来弥补分布式母线架构的缺点。分比式电源架构（Factorized Power Architecture，FPA）是Vicor的先进配电、分区隔离功能、稳压和电压转换 方法，这样的配电母线首先由PRM块进行稳压，然后PRM稳压的输出通过VTM中的固 定比进行转换（使用一个正弦振幅转换器执行），而负载通过其集成的变压器进行隔 离。分比式电源架构为IBA
7、提供了巨大优势，包括系统性能、灵活性和成本，它已被许多 客户采用开发针对不同市场的系统。现在，利用Vicor提供的IBC，在传统IBA砖占位面 积中，IBA系统充分利用了正弦振幅转换器VICOR 白皮书2 / 7 页moc . rewoproc i v技术及其卓越性能，包括更高效率和功率密度。下一节将侧重实现VI BRICK IBC产品 卓越性能的SAC的独特品质。为了理解正弦振幅转换器的工作，很有必要从最早的DC-DC转换器电（图2）开始， 它使用“硬开关”波形，用一个近似方波来驱动功率电感或变压器。它的好处在于工 作原理。通过在初级开发一个方波输入，在整流时产生了一个次级电压，导致输出端
8、出现DC电压。不利在于开关事件期间开关元件（最常见的是MOSFET）的耗散功率， 而方波含有在开关频率谐波的高能量，必须予以滤除，否则将传导或辐射到整个系 统。正弦振幅转换器的工作AC-DC 转换PRM VTM 稳压 （控制）升压/降压 隔离半稳压 中间母线隔离 转换 稳压隔离 降压分比式母线降压 稳压AC 整流器稳压 负载 电压niPOL Converter Bus ConverterAC 线路半稳压 配电母线稳压 负载 电压AC 线路图1IBA和FPA框图图2硬开关转换器+VINIOUT_+RLVOUTVICOR 白皮书3 / 7 页moc . rewoproc i v在一个“硬开关”转换
9、器中，输出功率与转换器占空比成正比，可以改变，可从次级 提供更多或更少功率，这类电路因此获得了通用名称脉冲宽度调制或PWM转换器 。通过开关器件的高水平功率损耗，开关频率实际上被限制在400 kHz。尽管它有缺 点，PWM转换器仍然是大输入/输出电压比应用中卓越的线性稳压器；而PWM转换器 已开始转向DC-DC转换器的普遍用途。为了解决PWM转换器的效率和噪声问题，电源公司通过设计围绕初级谐振电路建立的 转换器而改进了设计，实现了在零电压和零电流交叉的开关（图3）。这些都被称为 ZCS/ZVS谐振转换器，为“硬开关”转换器提供了极大的改进。通过在主电路中使用 一个电容器，形成了一个准谐振电路。
10、通过零交叉谐振波形的开关，谐波频率得以大 大降低，因为消耗更少的功率，转换效率也提高了。采用ZCS/ZVS（零电流开关/零电 压开关）混合砖的谐振技术能够实现100 W/in3的功率密度。由于从初级到次级转移的 能量被存储在初级电感中，并与LI2成正比（其中L是初级电感，I代表初级电流），它 对一个给定电路配置是恒定的。这代表电路的“能量包”大小。为了增加能量转移的 速率，开关速率必须增加，从而增加在一个时间段中转移的包数目。因此，输出功率 直接依赖于开关频率。ZCS/ZVS谐振转换器的开关频率受制于单位周期存储能量与实 现ZVS或ZCS的必要条件之间的权衡。图3ZCS/ZVS转换器+ OUT
11、 OUT+ IN INVICOR 白皮书初级控制IC初级控制ICmoc . rewoproc i v4 / 7 页乍一看，正弦振幅转换器拓扑结构（图4）在拓扑结构上与ZCS/ZVS谐振转换器有某种 相似之处，但其工作是完全不同的。SAC是一种基于变压器的串联谐振拓扑结构。不同 于准谐振ZCS/ZVS转换器，正弦振幅转换器在等于初级侧谐振电路谐振频率的固定频 率下工作。初级开关FET被锁定在初级的自然谐振频率，并在零交叉点开关，从而消除 了开关功耗（提高效率），并大大降低了产生的高阶噪声谐波（需要更少输出电压滤 波）。初级谐振电流是纯正弦波，而不是前几代转换器见过的方波或部分正弦波形。这 也有助
12、于大大降低谐波含量，提供一个更干净的输出噪声频谱。由于不是临界能量存储元件（与ZCS/ZVS谐振转换器对比），正弦振幅转换器中的初 级漏感减到了最小。因此，SAC可以在更高频率下工作，可使用更小的变压器来提高功 率密度和效率。Vicor IBC和VTM在几MHz频率下工作。相对于传统ZCS/ZVS转换器， 这个频率是固定的，无论负载如何。为了响应次级增加的负载，正弦振幅转换器通过增 加初级谐振的正弦电流振幅来反应。这反过来增加了耦合到次级能量的数量，以抵消增 加的负载（图5）。当负载降低时，正弦波的幅值逐渐减小，在“空载”条件下接近 零。图4SAC转换器图4谐振电流幅度 与负载的关系+IN-I
13、N-OUT+OUTCRES SACTM 控制T2T2T2T1T1T1 = 电源变压器 T2 = 驱动变压器T2T2T2T2T14.04.00时间 (s)8.8712.0016.0020.0024.0028.00时间 (s)8.8712.0016.0020.0024.0028.0011.9011.8511.8011.75输出电压 (V)端电压 谐振电容CRESVICOR 白皮书moc . rewoproc i v5 / 7 页由专利正弦振幅转换器 拓扑结构供电的Vicor IBC为OEM设计人员提供了具有一些独 特优势的中间母线转换器。我们将以一个Vicor的IB050Q096T70N1-00母
14、线转换器为 例，它从标称48 V输入提供5:1的电压（3660V范围）。VI BRICK母线转换器的效率 为98%，损耗几乎是竞争母线转换器的一半。转换器内部更少的每瓦功率消耗可以在 一个给定封装中提供更高额定输出电流。在25和100 LFM（0.5米/秒）气流条件 下，输出电流为额定70 A。在55和200 LFM（1米/秒）条件下，模块可保持这一输 出水平。竞争四分之一砖在25和100 LFM（0.5米/秒）下的额定电流54 A，在55 和200 LFM（1米/秒）气流时下降到49 A。增加的输出电流得益于Vicor模块的高效 率，加上通过使用较小的磁性元件导致的体积减小，实现了VI BR
15、ICK母线转换器550 W/in3级的功率密度，这远远高于竞争对手的产品。正如前面所讨论的，SAC电路的独特工作允许较高的开关频率。高工作频率对转移功 率到负载具有明显的优势。高开关频率工作时，功率往往转移到输出，这导致对负载 电流变化的更快响应。VI BRICK母线转换器以典型竞争母线转换器8倍的速率开关， 并响应几个开关周期内（10 s）的负载变化。Vicor IBC的输出阻抗极低，反映了在变压器初级侧的谐振回路的低输出阻抗，理想情 况下，在谐振频率出现了零阻抗。Vicor的IB050Q096T70N1-00的实际输出阻抗确定 在3.8 m。这个阻抗与约2/3谐振频率（1 MHz）基本持平
16、。这是常规IBC输出阻抗的 大约一半。初级正弦性质的电流可实现SAC的电气噪声分布方面的优势。在开关频率和2倍开关 频率（由于输出的全波整流），主要元件的输出噪声谱很窄。高阶分量非常低。输出 滤波容易用小型高频陶瓷电容来实现。VI BRICK 中间母线转换器 特点和优势VICOR 白皮书moc . rewoproc i v6 / 7 页结论Vicor VI BRICK中间母线转换器基于相同的高性能专利技术，为Vicor的VI Chip VTM 和BCM模块供电。这个新一代电源转换器在许多方面超过了传统转换器的性能转 换效率、功率密度、瞬态响应、开关噪声，等等。在转换效率的重要因素中，每个单 元输出功率的功率损耗都是VI BRICK母线转换器的一半。大于50%的功率密度，反映 了这种在高工作频率下实现的效率提升和减小的元件尺寸。下面的图表详细说明了VI BRICK母线转换器与竞争的四分之一砖5:1母线转换器之间的 差异。这些差异是引人注目的。这些差异的总和代表了一个世代交替，在同一物理占 位面积内为用户提供了中间母
