运用固定比率转换器进步供电网络功率

绝大多数机电负载或半导体负载都需求安稳的 DC-DC 电压转化及严厉的稳压，才干牢靠运转。履行该功用的 DC-DC 转化器一般称作负载点 (PoL) 稳压器，规划时具有最大输入电压及最小输入电压规范，其规范界说了它们的安稳作业范围。这些稳压器的供电网络 (PDN) 的复杂性可能会因负载的数量和类型、全体体系架构、负载功率级、电压等级（转化级）以及阻隔和稳压要求的不同而不同。

许多电源体系规划人员将稳压的 DC-DC 转化器视为全体规划的要害。但将适宜的电压供给给负载点稳压器，纷歧定都需求 PDN 稳压，或许关于中心配电母线电压而言 PDN 稳压并不那么重要。考虑这一点时，电源体系工程师应该考虑运用固定比率 DC-DC 转化器，它可明显的进步PDN 的全体功用。

怎么优化供电网络

PDN 功用一般以功耗、瞬态呼应、物理尺度、分量及成原本衡量。影响 PDN 功用的一个首要规划应战是电压转化的份额和高精度的线/负载调整率。工程师花了很多的时刻来处理很多不同的输入/输出 电压转化率，动态调整率以及散布特性来进步功用和牢靠性。

假如体系负载功耗处于千瓦级范围内，选用高压规划大容量 PDN，可削减在体系中的电流等级 (P=V•I)，因而能够缩小 PDN 尺度，减轻分量并降低本钱（线缆、母线排、主板铜箔电源层）(PLOSS = I2R)。在转化为低压/大电流前，最大极限延长高电压运转时长，尽可能挨近负载，是一大优势。

但要让高压、高功率 PDN 挨近负载，则需求具有高功率及高功率密度的 DC-DC 转化器。假如输入至输出电压转化份额很大，例如 800V 或 400V 转 48V，最高功率的转化器是供给非稳压的固定比率转化器。这些高功率的转化器，不只可供给更高的功率密度，并且还因较低的功耗，可供给更快捷的热办理。

图A：双向固定比率转化器的作业原理。 K=1/16 的降压换器，也可用作 K=16/1 的升压转化器。

何为固定比率转化器？

固定比率转化器的作业原理与变压器相似，但它履行的不是 AC-AC 转化，而是 DC-DC 转化，输出电压为 DC 输入电压的固定份额。与变压器相同，这种转化器不供给输出电压稳压，输入至输出变压由器材的“匝数比”决议。该匝数比称为 K 因数，表明为一个相关于其电压降压才干的分数。K 因数从 K=1 到 K=1/72 不等，可根据 PDN 架构及 PoL 稳压器规划规范进行挑选。

典型 PDN 电压有低电压 (LV)、高电压 (HV) 和超高电压 (UHV)。

固定比率转化器能够是阻隔的，也能够不是阻隔的，并且可经过反向电压转化完成双向功率流。例如，一款支撑双向功用的 K=1/16 固定比率转化器能够作为一款 K=16/1 的升压转化器。

额定的规划灵敏性包含易于并联（可满意更高功率的电源要求）和串联转化器输出的选项（可经过有用改动 K 因数，供给更高的输出电压）等。

很多终端商场及运用的电源需求急剧上升，因而供电网络正在阅历严重革新。因为新特性的添加以及功用水平的不断进步，更高的 PDN 电压（如 48V）正在用于电动轿车、轻型混合动力车以及插电式混合动力轿车。48V 契合许多体系要求的安全电气低电压 (SELV) 规范，而 P=V•I 和 P_LOSS=I²R 的简略电源方程式也说明晰高压 PDN 功率更高的原因地点。

关于给定功率级而言，与 12V 体系比较，48V 体系电流为1/4、线路功耗低为1/16 。在 1/4 的电流下，线缆和连接器能够更小、更轻，并且本钱也会更低。用于混合动力轿车的 48V 电池功率是 12V 电池的 4 倍，添加的电源可用于动力体系运用，以削减二氧化碳排放，进步燃油路程数并添加新的安全及文娱特性。

在数据中心机架中添加了人工智能 (AI)，使机架电源需求进步到了 20kW 以上，因而12V PDN的运用 既粗笨，功率又低。运用 48V PDN，可取得与混合动力轿车相同的优势。在轿车及数据中心运用中，最好保存原有 12V 负载及 POL 常用降压稳压器，以最大极限削减需求修正的内容。

图 B：BCM 转化器易于并联，满意更高的电源需求。

运用非阻隔固定比率转化器处理实际问题

48V 契合 SELV 规范，因而非阻隔固定比率转化器是 48V 至 12V DC-DC 转化级的抱负之选，因为当时的 PoL 12V 稳压器能够应对输入电压的改变。非阻隔、非稳压固定比率转化器是最高效的高功率母线转化器，可完成更低功耗、更高功率密度以及更低的本钱。这一高密度有助于最新散布式配电架构用于混合动力轿车，其中非阻隔固定比率转化器可安置在负载周围，因而可在轿车周围最大极限运转更小、更高效的 48V PDN。在刀片服务器中，这种小型非阻隔式 48V 至 12V 固定比率转化器能够安置在挨近降压稳压器的主板上。

许多全新 AI 加速卡（如 NVidia 的 SXM 以及开放式核算方案 (OCP) 成员的 OAM 卡）都规划有 48V 输入，因为 AI 处理器功率级在 500 至 750W 之间。要让仍然在其机架中运用 12V PDN 背板的云核算及服务器公司运用这些高功用卡，就需求完成 12V 至 48V 的转化。在这些加速卡上（或在更高功率的散布式 12V 至 48V 模块中）添加一款双向 K=1/4 非阻隔固定比率转化器，作为 12V 至 48V 升压转化器 (K = 4/1)，可轻松将 AI 功用带入旧式机架体系。

Vicor NBM2317 可将 48V 高效转化为 12V，也可将 12V 高效转化为 48V，因为 NBM 是一款双向转化器。双向性可将原有电路板整合在 48V 根底架构中，也可将最新 GPU 整合在原有 12V 机架中。

图 C：输出串连以进步输出电压的 BCM 可完成更高的规划灵敏性。

怎么满意需求阻隔功用并且要求严苛的高电压运用需求

电动轿车

在电动轿车运用中，电源需求决议了电池电压有必要远远高于现在混合动力轿车运用的 48V，一般挑选 400V。400V 转化为 48V，配送给动力总成及底盘周围的不同负载。为支撑快速充电，400V 电池由供给稳压 800V DC 输出的充电站经过 800V 至 400V 转化器充电。

在 400V/48V 及 800V/400V 运用中，因为功率要求高，可有用地运用具有高功率密度、功率在 98% 以上的阻隔式 K：1/8(400/48) 及 K：1/2 (800/400) 固定比率转化器并联阵列。稳压可在固定比率转化器级前面或许后边供给。未稳压的功率密度及功率进步，不只在这一极高功率运用中的这个方位效果明显，并且还可简化热办理。

高功用核算

高功用核算 (HPC) 体系机架功率级一般高于 100kW，因而运用 380V_DC 作为首要 PDN。在这些运用中，K：1/8 与 K：1/16 的阻隔式固定比率转化器集成在服务器刀片中或经过机架配电的夹层卡上，为主板供给 48V 或 12V 电源。随后由 12V 多相降压转化器阵列或更高功率的高档 48V 至 POL 架构供给稳压。固定比率转化器的密度和功率又一次在完成这类 PDN 架构中发挥重要作用，可完成高功用。

系留无人机

另一项需求阻隔的高电压运用便是系留无人机。系留无人机的电源线长度可能会超越 400 米，无人机有必要将其提起并坚持，才干到达其飞翔高度。运用 800V 等高电压，可明显减缩这些粗笨电源线的尺度、分量和本钱，然后可完成功用更高的无人机。运用板载固定比率转化器（一般 K=1/16）转化至 48V，可供给十分高效的极小供电处理方案，充沛满意机载电子产品及视频有用载荷的需求。

5G 通讯

现在，全世界的都在进步4G 无线电和天线塔为之前 4G 设备5倍的最新 5G 体系。4G PDN 为 48V，经过线缆从地上电源体系供给。新增 5G 设备，功率级明显进步，假如 PDN 要坚持在 48V 电压下，那直径就会十分大，电线就会很重。电信公司正在研讨运用 380VDC PDN 的优势，以明显缩小线缆尺度。在升压形式下运用双向 K 1/8 固定比率转化器，地上 48V 电源体系可向塔顶供给 380V 的电源（K：8/1）。4G 和 5G 体系在塔顶运用 380V 至 48V 稳压转化器，不只可取得 48V 稳压电源，并且还可经过 380V 细微电线完成更低本钱的供电。

图 D：原有体系的 48V 电源

固定比率转化器为高功用运用供给高度灵敏的 PDN 规划

高功用电源需求在不断上升。企业及高功用核算高档体系、通讯与网络根底设施、自动驾驶轿车以及很多交通运输运用仅仅需求更多电源的高增长工业中的几个。这些商场有一个一起的特色：每个商场都有极大的电力需求，它们都可从高功率密度的小型 DC-DC 转化器处理方案中获益，节约空间并减轻分量。电源体系工程师应当把固定比率转化器作为完成更高功用 PDN 的重要高灵敏处理方案，以在全体体系功用方面取得竞赛优势。

图 E：散布式 48V 架构将多个功耗更低的更小转化器安置在挨近 12V 负载的方位。

作者 Phil Davies，Vicor 公司全球出售及商场营销副总裁Vicor

是一家抢先的全球电源模块技能公司，一直致力于为电源体系规划人员供给高档、高功用模块化处理方案，协助他们应对最艰巨的电源规划应战。咱们一直站在配电架构、转化拓扑及封装技能的最前沿，不断进步 Vicor 电源模块的密度、功率和供电才干。此外，咱们还可为咱们的根底设施、工业及轿车运用客户带来竞赛优势，协助他们快速推动其共同的电源体系规划。

图 F：电压越高，电线就越轻，系留无人机飞得就越高。