基于DPA和IBA的功率系統級封裝隔離DC-DC轉換器

　　隨著市場的要求, 出現了更新、更快的ASIC、DSP、FPGA、高速微處理器和存儲設備電源行業也需要作出相應的調整. 這些器件改變了電源規格的要求,需要提供多路工作電壓、更高的瞬態電流要求、更小的組件尺寸。但是由于技術上若干固有的限制，使得電源的發展也受到制約。一般而言，電源系統不會為整體系統提供主要賣點，因為系統必須有電源供電，并且終端應用是處理數據而并非產生電壓和電流。如果電源系統占太多的空間，那么增加到終端產品具有競爭優勢的一些其他技術特征就可能會被削弱或者完全忽略。為解決這些問題，系統設計者一直努力設計一種最佳類型的分布式電源系統以滿足系統需求，同時仍然保持高效、可靠、低成本的特點，靈活地適應快速變化的需求。

　　多種選擇

　　今天，有多種電源構架方案可以選擇。對于工作在36V-75V正常電壓范圍的電信系統，一般而言，會按功率等級和電壓軌的數量決定是使用DPA (分布式電源架構)或IBA(中轉母線架構)中的何種構架。對于大功率計算系統和服務器供電這樣的系統，有經驗的設計師發現系統背板由48V或更高的電壓作為母線，并且把48V電壓轉換到所需的POL電壓時，更具有效率優勢。

　　圖1和圖2分別以簡化結構框圖的形式顯示了典型的DPA和IBA構架拓撲。DPA將輸入的交流電(AC)轉換為36V-75V或36V-60V窄范圍的直流電壓(DC)。

　　圖1 分布式電源架構(DPA)

　　圖2 中轉母線架構(IBA)

　　每個負載輸出電壓由與負載電流大小相應的隔離DC-DC轉換器供電。通常，這種方法的成本極高，所需的電路板面積也極大。但由于“串級”轉換階數較少，輸入母線分布損耗較低，因此能夠產生極高的整體效率。IBA架構致力于減少電路板面積和DPA架構的成本。這種方法將交流電轉換為與DPA相同的寬范圍或窄范圍的直流電。對于寬范圍要求，采用穩壓或半穩壓式、隔離母線轉換器(IBC)將高電壓降到窄范圍非隔離點負載轉換器(NiPOL )相對于占空比和效率而言的平均最佳點。每個NiPOL工作在此母線電壓下，并且產生每個負載所需的穩定輸出電壓。對于窄范圍情況，為NiPOL供電的隔離式DC-DC轉換器可以是半穩壓或甚至完全不穩壓式。就IBA拓撲而言，窄范圍的半穩壓或完全不穩壓式，具有極高的功率密度和效率;而對于寬范圍的穩壓或半穩壓式，具有較低的效率和功率密度。在不穩壓情況下，每個NiPOL的輸入電壓變化1/K， K是IBC的降壓比率。IBA的優勢是通過使用較小的NiPOL和一級隔離電源，將電源系統的整體尺寸和成本降至最低。小型NiPOL可以靠近點負載，顧名思義是得到更好的瞬態響應。與DPA相比，IBA的每路電壓有兩級轉換，分布損耗以中轉母線電流的平方增加，因此它的缺點是系統整體效率較低。這種構架的效率很難做高，是因為中轉母線電壓比DPA拓撲低四倍以上，因此對于給定的輸出功率產生更高的中轉母線電流。此外，每個NiPOL的中轉母線電壓不會產生最佳的效率。

　　結合DPA和IBA兩者的優勢

　　如果將DPA和IBA拓撲兩者的優勢相結合，將會如何?如果系統總體尺寸能夠進一步降低但對效率不造成明顯的影響，同時仍然保留直接向點負載供電的能力，某些系統的功率配置便可通過縮小尺寸或減少所需的轉換階數而受益。為了實現這個目標，隔離式DC-DC轉換器需要經歷又一個突破性發展。最近這種技術革新已獲得突破性發展。Cool-PowerTM PI3101隔離式DC-DC轉換器是高性能電源轉換產品系列的一部分。PI3101是一款3.3V輸出，60W超高功率密度的隔離式DC-DC轉換器，產生400W/in3和106W/in2這種前所未有的功率密度，同時工作在36V-75V寬輸入電壓范圍內。高效率軟開關電源架構與創新的集成式功率系統級封裝(PSiP)概念相結合，使隔離式1/16磚電源封裝尺寸縮小一半以上，如圖3和圖4所示。

　　圖3 PI3101-面積較“1/8th磚”少70%

　　圖4 高密度PI3101解決方案