结合DPA和IBA两者优势的新型功率系统级封装的隔离 DC-DC 转换器

　　简介

先进的电信与无线架构、网络与通信技术及高速服务平台等终端系统需要持续不断的改善良更新产品,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、更小的元件尺寸。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)。

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。

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, 用上带隔离元件. 这转换器系列有多种输出电压,系统统设计师可把隔离的电压直接供电给负载 。 PI3101 和其他 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塬来的一半。图 5 按比例显示了真实的 1/16 砖尺寸;图 5是使用 PI310x Cool-Power 方案后，尺寸方面的差别。

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。

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。