基于DPA和IBA的功率系统级封装隔离DC-DC转换器

随着市场的要求, 出现了更新、更快的ASIC、DSP、FPGA、高速微处理器和存储设备电源行业也需要作出相应的调整. 这些器件改变了电源规格的要求,需要提供多路工作电压、更高的瞬态电流要求、更小的组件尺寸。但是由于技术上若干固有的限制，使得电源的发展也受到制约。一般而言，电源系统不会为整体系统提供主要卖点，因为系统必须有电源供电，并且终端应用是处理数据而并非产生电压和电流。如果电源系统占太多的空间，那么增加到终端产品具有竞争优势的一些其他技术特征就可能会被削弱或者完全忽略。为解决这些问题，系统设计者一直努力设计一种最佳类型的分布式电源系统以满足系统需求，同时仍然保持高效、可靠、低成本的特点，灵活地适应快速变化的需求。

　　多种选择

　　今天，有多种电源构架方案可以选择。对于工作在36V-75V正常电压范围的电信系统，一般而言，会按功率等级和电压轨的数量决定是使用DPA (分布式电源架构)或IBA(中转母线架构)中的何种构架。对于大功率计算系统和服务器供电这样的系统，有经验的设计师发现系统背板由48V或更高的电压作为母线，并且把48V电压转换到所需的POL电压时，更具有效率优势。

　　图1和图2分别以简化结构框图的形式显示了典型的DPA和IBA构架拓扑。DPA将输入的交流电(AC)转换为36V-75V或36V-60V窄范围的直流电压(DC)。

　　图1 分布式电源架构(DPA)

　　图2 中转母线架构(IBA)

　　每个负载输出电压由与负载电流大小相应的隔离DC-DC转换器供电。通常，这种方法的成本极高，所需的电路板面积也极大。但由于“串级”转换阶数较少，输入母线分布损耗较低，因此能够产生极高的整体效率。IBA架构致力于减少电路板面积和DPA架构的成本。这种方法将交流电转换为与DPA相同的宽范围或窄范围的直流电。对于宽范围要求，采用稳压或半稳压式、隔离母线转换器(IBC)将高电压降到窄范围非隔离点负载转换器(NiPOL )相对于占空比和效率而言的平均最佳点。每个NiPOL工作在此母线电压下，并且产生每个负载所需的稳定输出电压。对于窄范围情况，为NiPOL供电的隔离式DC-DC转换器可以是半稳压或甚至完全不稳压式。就IBA拓扑而言，窄范围的半稳压或完全不稳压式，具有极高的功率密度和效率;而对于宽范围的稳压或半稳压式，具有较低的效率和功率密度。在不稳压情况下，每个NiPOL的输入电压变化1/K， K是IBC的降压比率。IBA的优势是通过使用较小的NiPOL和一级隔离电源，将电源系统的整体尺寸和成本降至最低。小型NiPOL可以靠近点负载，顾名思义是得到更好的瞬态响应。与DPA相比，IBA的每路电压有两级转换，分布损耗以中转母线电流的平方增加，因此它的缺点是系统整体效率较低。这种构架的效率很难做高，是因为中转母线电压比DPA拓扑低四倍以上，因此对于给定的输出功率产生更高的中转母线电流。此外，每个NiPOL的中转母线电压不会产生最佳的效率。

　　结合DPA和IBA两者的优势

　　如果将DPA和IBA拓扑两者的优势相结合，将会如何?如果系统总体尺寸能够进一步降低但对效率不造成明显的影响，同时仍然保留直接向点负载供电的能力，某些系统的功率配置便可通过缩小尺寸或减少所需的转换阶数而受益。为了实现这个目标，隔离式DC-DC转换器需要经历又一个突破性发展。最近这种技术革新已获得突破性发展。Cool-PowerTM PI3101隔离式DC-DC转换器是高性能电源转换产品系列的一部分。PI3101是一款3.3V输出，60W超高功率密度的隔离式DC-DC转换器，产生400W/in3和106W/in2这种前所未有的功率密度，同时工作在36V-75V宽输入电压范围内。高效率软开关电源架构与创新的集成式功率系统级封装(PSiP)概念相结合，使隔离式1/16砖电源封装尺寸缩小一半以上，如图3和图4所示。

　　图3 PI3101-面积较“1/8th砖”少70%

　　图4 高密度PI3101解决方案

　　这种新的电源转换器, 面积比市面上一些NiPOL还要少, 用它来替代1/16砖模块,可以减省DPA架构的整体面积. 对一些对尺寸, 重量非常注意的应用,他们可以以与IBA相约的空间, 用上带隔离组件. 这转换器系列有多种输出电压,系统统设计师可以把隔离的电压直接供电给负载。PI3101和其它Cool-Power系列产品，同样是为低功耗应用而设计的.体积只有0.87”(长) X 0.65”(宽)X 0.265”(高), 应是目前体积最小,兼具隔离, 转压, 稳压的25W隔离式电源解决方案。

　　对尺寸有要求时

　　考虑DPA的配置，如图1所示。在PI3101出现之前，最小的隔离方案是由四个1/16砖转换器组成来产生稳压输出功率。随着PI310x Cool-Power系列产品的出现，整个系统的尺寸可减至原来的一半。图5 按比例显示了真实的1/16砖尺寸;图6是使用PI310x Cool-Power方案后，尺寸方面的差别。

　　图5 使用4个1/16砖的DPA

　　图6 使用PI3101的DPA，节约50%电路板空间

　　未被PI310x覆盖的区域表现为节约的板上空间。考虑IBA的解决方案，如图2所示。负载所需的输出功率大致约130W。如果输入电压在36-75V的范围内，并且使用固定的母线IBA，隔离转换器将需要一个1/8砖。我们可以把每个输出的NiPOL都表示为DOSA兼容的DC-DC转换器，按比例显示的系统图如图7所示。有人可能会说DC-DC NiPOL可以垂直安装，因此并不占用太多板上平面空间。如果使用基于PI310x的解决方案，可以采用与Nipol相似的方式安装。大电流、高密度的NiPOLs，可应用于1.8V和1.2V电压轨，此电压由PI3101的3.3V输出降压得到。由此产生系统尺寸方面的减少，如图8所示。

　　图7 使用隔离1/8砖和4个DOSA NiPOLs的IBA

　　图8 使用PI3101重新配置的IBA，节约60%以上的电路板空间

　　此方法通过去除1/8砖的空间和两个1/16 砖相等的空间，节约了超过60%的电路板空间。可以看到，在系统核心如计算机，数据处理，内存，I/O等系统中，板上空间的节约已成为核心特征。这是一个小的电源转换器如何成为技术推进者的例子。完全隔离的PI13101比技术最先进的高密度非隔离DC-DC转换器长0.22 英寸，如还考虑高度的话，它也比典型的DOSA DC-DC转换器更薄。这些比较很自然地使iPOL(隔离点负载)转换成为现实。PI3101允许将48V母线的隔离电源正确应用在低压点负载以提供最大的灵活性。

　　结论

　　隔离式DC-DC转换器已进行了必要的改进。这种新型超高功率密度转换器，在现有解决方案的一半尺寸内能够产生60W的隔离稳压电源。此新技术有可能使系统设计者减小现有电源构架的尺寸，并允许他们增加产品特性和功能。这款新型转换器设计相对容易且设计周期很短，允许用户灵活地将电源放置在需要的地方，从而使之成为一种新型技术。