利用固定输出总线电压转换器优化系统电源配置

这个电源链上的第一条链路由标准化和安全保障机构批准使用的AC/DC转换器组成，这个转换器产生分布式24V或48V直流总线电压。要产生相对高效率的分布式总线电压，48V足够高了，同时它也很安全，允许不具备高压安全设备或程序设计专长的工程师设计电路板级电源电压转换器。

为了进一步简化电路板设计，48V输入在应用电路板上被转换成非隔离的12V中间直流总线电压。12V这个值不是规定的，也不总是中间总线电压的最佳选择，它只是最常用的电压值。然后，再用简单的非隔离式降压型转换器将12V总线电压转换成3.3V、2.5V和1.8V这类核心电压。

中间总线电压转换器可以产生恒定输出电压，也可以按比例跟踪输入(直接比例转换器)。恒定输出转换器必须监视和调节输出电压，相对于直接比例转换器而言，这可能导致转换器成本较高。直接比例转换器不调节输出电压，它只是产生与输入电压成正比的输出电压。直接比例转换器以相同的比例(通常是2:1)根据输入电压范围产生输出电压范围。例如，如果输入电压在36V至72V的范围内变化，那么转换器的输出可能在8V至16V的范围内变化。如果使用直接比例总线电压转换器，那么产生1.8V、2.5V、3.3V等的降压型转换器必须能够以整个总线电压转换器的输出范围作为输入范围。稳压或直接比例转换器简化了系统设计，但是在选择转换器类型时，必须紧密关注系统的总体性能。

系统效率考虑

模块化带来的简单性和可扩展性是图1所示分布式电源架构的特点，但是这种易设计性是以成本为代价的。这种架构的主要缺点是，3个电源电压转换器串联影响了系统的总体效率。系统效率如下：

其中h=效率。

例如，如果图1中每个方块的效率为90%，那么系统总体效率就是73%。不过，如果每级转换器的效率提高1%，那么系统总体效率就会提高2.3%，达到75.3%。不难看出，在一个有几十或几百个电路板的大型分布式系统中，每级转换器效率微小提高的结果是极大地节省功率。

图1：将48V电压转换成中间直流总线电压，在馈送给非隔离式负载点降压型转换器

系统的总体性能取决于总线电压转换器和降压型转换器的相互作用。例如，如果总线电压转换器产生固定输出，那么降压型转换器的效率、尺寸和成本都可以为已知总线电压而优化。如果用直接比例总线电压转换器，那么优化也许不那么容易，因为降压型转换器必须在较宽的输入电压范围内工作。

图2所示是一个典型的降压型转换器，这个电路在这里是一个用来进行性能分析的模型。图2中的转换器在5V至24V的输入范围内工作，产生2.5V/10A输出。这个电路也可以用来产生0.8V至0.9×V_IN的其他核心电压。为了让分析相对简单，我们采用4个相同的降压型转换器(图2)，所有转换器都产生2.5V/10A输出，总功率为100W。就其他输出电压和负载而言，分析过程可以非常容易地调整。另外，为了限制本文范围，我们不讨论AC/DC转换器的性能，在任何时候使用本文给出的原则时，都可以把这个转换器的性能因素考虑进去。

图2：典型的同步降压型转换器能以高于90%的效率产生低压轨。

选择总线电压

首先需要确定多高的总线电压最好？就大多数设计工程师而言，答案非常简单，使用12V总线电压，因为这是过去项目所使用的总线电压。不幸的是，这种选择可能导致较低的系统效率、电路工作时温度更高以及较低的可靠性。选择产生最佳效率的总线电压需要多做一点儿工作，如测量不同输出时总线电压转换器的效率，以及测量不同输入时降压型转换器的效率。降压转换器电路制造商通常不提供这种信息，因此也许必须自己进行测量。效率应该根据真实世界中最坏情况下的负载电流得出，这种负载电流也许不是该降压型转换器的最大允许输出电流。

第二步是就不同的输出电压画出一套总线电压转换器效率曲线，如图3所示。在这个例子中，48V输入通过固定输出DC/DC转换器转换成5V、6V、7V、9V和12V电压。12V输出电压转换器如图4所示。其余的输出电压转换器本质上与图4所示电路相同，只是每个转换器都是用不同的变压器、输出MOSFET和电感器优化的。

图3：总线电压转换器的效率一般随着总线电压的提高而增加。

图4：这个简单的12V总线电压转换器的峰值效率为95%。

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第三步是针对总线电压转换器和降压型转换器的每种组合计算系统效率。就图2所示的4个降压型转换器而言，每个产生2.5V/10A输出(或25W输出功率)，每个总线电压转换器的总负载为：

其中P_BUS是需要总线电压转换器提供的输出功率，P_OUT是所有DC/DC降压型转换器的累计输出功率。在这个例子中，P_OUT为4×25W(即100W)。

最后一步是计算每个候选总线电压转换器所需的输出电流：

例如，考虑到4个降压型稳压器的效率，一个5V总线电压转换器必须提供21.2A电流，以向负载提供足够的功率。一旦这个总线电压转换器的输出电流计算出来，我们就可以查找在给定输出负载时的总线转换器效率，并计算系统总体效率：

如前面提到的那样，为了让分析过程更简单，在这些计算中未包括AC/DC转换器效率，而市场上现售的AC/DC转换器的效率通常是固定的。计算出的效率随总线电压的变化结果也许令人吃惊，因为系统最高效率出现在7V左右，而这个电压几乎从未被用作总线电压。通过以上分析很容易发现，什么样的转换器配置会在系统级实现最佳性能。

本文小结

通过仔细考虑整个电源系统，为特定应用选择最佳总线电压，并进行一些测量和简单计算，可以最大限度地提高效率。最终，与现售的12V电源模块相比，优化的总线电压转换器可能更小、更灵活，冷却要求更低并且更便宜，因此甚至能满足最苛刻的应用规格要求。

作者：

Goran Perica

凌力尔特公司