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作者：GAIA Converter 現代電子系統中的直流配電通常需要針對效率、尺寸和成本進行優化。與此同時，輸入和輸出電壓之間的差異變得更大，電源軌經常會發生很大的變化，而輸出（有時低至 1V 左右）必須更加準確且無干擾。 與寬范圍輸入隔離的單級功率轉換會導致效率下降，并且該布置無法提供多個精確輸出。因此，常見的解決方案是使用由中間總線轉換器 (IBC) 轉換的，通常為 12V、24V 或 28V 的中間直流總線，然后連接非隔離高效負載點 (PoL) 轉換器。它們放置在靠近負載的位置，以在高電流連接中實現最佳電壓精度和最低功耗。 IBC 通常是隔離的，可將寬輸入范圍的電壓轉換為固定的穩壓或半穩壓輸出。圖1 顯示了典型的排列。 
圖 1：使用中間總線和負載點轉換器的典型分布式電源架構，此處的負載是 Xilinx SoC 器件 探索設計約束的各個層面 在高性能中間總線系統的設計中，有許多約束和目標需要考慮，例如： ● 輸入的動態特性；標稱范圍、浪涌、尖峰和低谷 ● 從電源到終端負載的隔離要求；實際和法令的考慮 ● 提供具有各自靜態/動態特性和調節要求的多個輸出 ● 總體效率目標和系統元件之間的功率損耗分配 ● 空間和成本預算 從較高的層面來看，這些要求似乎可以通過離散設計或來自不同來源的適當模塊的組裝來滿足。然而，這還不是全部，因為專業設計，特別是在高可靠性應用中，還必須考慮瞬態和故障條件以及這些條件如何傳播和影響系統可靠性和可用性。有限空間中，冷卻也可能是一個主要問題，并且通常只能在設計中稍后在已知實際占用體積和功耗時才能解決。所有這些次要考慮因素都會對硬件和系統開發時間產生重大成本影響。 可能產生廣泛系統影響的二次效應的一個例子是 PoL 轉換器輸出上可能出現的瞬態電流和故障電流。啟動時容性負載自然會出現瞬態，如果瞬態明顯超過正常運行電流，則 PoL 和前面的 IBC 可能需要加大尺寸，以避免中間總線電壓過載、應力和驟降，從而可能影響啟動 PoL 的數量。相似地，如果需要系統的最大可用性，并且其他 PoL 保持其輸出（即使其中一個處于故障條件下），則 PoL 輸出上的短路和無意過載不應影響中間總線。在高可靠性應用中，可能會包含冗余和監控，以便即使單個 PoL 短路也能保留完整功能。 中間總線轉換器通常需要超大尺寸 用一些數字來進行討論，例如，如果 5V PoL 的標稱運行輸出電流為 5A，則可用部件的電流限制可能高達 16A（在內部設置）。這可能意味著當啟動浪涌達到極限時，IBC 可能會產生 60W 的瞬態額外功率，從而提高轉換效率。系統中的其他 PoL 也會導致啟動電流浪涌，因此盡管 IBC 可能不會受到瞬態負載帶來的熱損耗，但它必須能夠在輸出電壓不下降的情況下提供適應。因此，它的額定功率可能需要明顯高于標稱運行功率，從而增加了尺寸和成本。 解決方案是選擇具有精確電流限制的 PoL，該電流限制僅比正常運行電流高一點，這樣要浪涌和故障電流就不會反射回中間總線。然而，具有精確電流限制的 PoL 很少見，因為很難在不產生不可接受的損耗或高成本的情況下感測直流輸出電流。常見的折衷方案是針對過載和過熱停機設置功率限制而不是電流限制。然而，功率限制通常控制不佳，并且產生的電流隨輸入電壓、溫度和其他電路條件而變化。 如果具有精確電流限制的 PoL 可用，則需要選擇與每個輸出的單獨預期運行電流相匹配的部件。這意味著多種類型，可能采用不同的機械格式，每種類型都有自己獨特的散熱要求。如果考慮分立設計，散熱將成為一個更大的挑戰，因為通常使用的組件（尤其是降壓轉換器拓撲中的電感器）的要求非常高。此外，未來對正常運行電流的任何改變都需要采購新的 PoL 并進行鑒定，甚至可能需要重新設計主板。 具有可調整電流限制的更好解決方案 具有受控浪涌、可調電流限制和可調輸出電壓的 PoL 是理想的面向未來的解決方案，可從 GAIA Converter 獲得，例如其 MPGS14EB 產品。除了減少進入容性負載的峰值浪涌電流外，MPGS14EB 還可以設置為提供設計的運行電流，并具有一點額外的余量，以便短路不會反映在中間總線上的高電流。這可確保其他 MPGS14EB 部件不受影響，并實現最大的系統可用性，特別是在合并冗余和監控時。 PoL 模塊的常見設計可在最高和最低輸出要求之間調節電壓和電流限制。不可避免地，一個或多個 PoL 的運行速度可能低于其最大能力，但所支付的任何額外費用都會被中間總線轉換器的成本和尺寸節省所抵消。使用 MPGS14EB 還具有具有相同 PoL 的優點，可實現規模經濟且易于散熱，且具有通用的機械尺寸格式。使用通用 PoL 可以縮短開發和鑒定時間，并避免一個短路 PoL 影響總線和其他 PoL 的交叉耦合效應，這在高可靠性系統中當然是非常寶貴的。 圖2 顯示 GAIA 轉換器的 MPGS14EB 如何控制電容負載啟動時的峰值電流，與不帶此功能的 PoL 相比 。
圖 2：比較具有和不具有受控浪涌電流的 PoL 的峰值啟動電流 圖3 顯示了在具有可調整電流限制的 PoL 的示例分布式電源系統中，過載條件下的總線負載和 IBC 額定值如何可能減半。
圖 3：具有和不具有 PoL 可調整電流限制的總線轉換器上的最大故障負載示例 GAIA 轉換器板裝式直通引腳 MPGS14EB 部件的最大功率為 260W，但其設計目的是在低至 30W 以下的各種負載下高效運行。典型效率達到 97%。輸出電壓，可在 1.2V 至 24V 范圍內調節，電流限制可在 0 至 16A 范圍內調整，使其用途極其廣泛，可匹配各種負載。該器件還包括用于排序控制、同步和負載電流監控的引腳，并且器件可以與有源負載共享并聯。輸入電壓范圍超寬，為 4.75-36VDC（42V/100ms 峰值）。作為降壓轉換器，輸入電壓始終設置為高于輸出電壓。 從占用的空間上看，MPGS14EB 的尺寸僅為 28 x 20 x 8mm (金屬外殼)，其頂面適合連接散熱器或冷板，可以方便地跨越多個設備。通過使用高性能灌封材料封裝，進一步降低熱阻。 現在可以選擇總線轉換器來優化系統 應探索 IBC 輸入電壓范圍的極限、其可選輸出電壓和輸出負載范圍，以找到 IBC 和 PoL 組合效率最高的“最佳點”。 GAIA 轉換器提供穩壓總線轉換器，具有從 10W 到超過 500W 的多種額定功率選擇，并具有所有公共總線電壓輸出。輸入范圍包括9-36V、12-40V和超寬12-140V。分布式電源系統示例如圖所示圖4 使用 500W GAIA MGDS500 IBC 和五個 GAIA MPGS14EB PoL。
圖 4：使用來自 GAIA 轉換器的單一 PoL 類型且具有可編程電流限制的分布式電源系統示例 結論 分布式電源架構的設計涉及多種選擇，并且可能受到瞬態負載和短路條件下負載點轉換器性能的嚴重限制。通過選擇具有可編程電流限制的 PoL，可以消除該限制，設計人員可以更自由地選擇最佳且經濟高效的解決方案。 |
