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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