絕大多數(shù)機(jī)電負(fù)載或半導(dǎo)體負(fù)載都要穩(wěn)定的DC-DC電壓轉(zhuǎn)換及嚴(yán)格的穩(wěn)壓，才能可靠運(yùn)行。執(zhí)行該功能的DC-DC轉(zhuǎn)換器通常稱作負(fù)載點(diǎn)（poL）穩(wěn)壓器，設(shè)計(jì)時(shí)具有最大輸入電壓及最小輸入電壓規(guī)格，其規(guī)格含義了它們的穩(wěn)定工作范圍。這些穩(wěn)壓器的供電網(wǎng)絡(luò)（pDN）的復(fù)雜性可能會(huì)因負(fù)載的數(shù)量和類型、整體系統(tǒng)架構(gòu)、負(fù)載功率級(jí)、電壓等級(jí)（轉(zhuǎn)換級(jí)）以及隔離和穩(wěn)壓要求的不同而不同。

許多電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將穩(wěn)壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器視為整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。但將合適的電壓供應(yīng)給負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器，不一定都要pDN穩(wěn)壓，或者關(guān)于中間配電母線電壓而言pDN穩(wěn)壓并不那么重要。考慮這一點(diǎn)時(shí)，電源系統(tǒng)工程師應(yīng)該考慮應(yīng)用固定比率DC-DC轉(zhuǎn)換器，它可顯著的提升pDN的整體性能。

pDN性能通常以功耗、瞬態(tài)響應(yīng)、物理尺寸、重量及成本來衡量。影響pDN性能的一個(gè)重要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是電壓轉(zhuǎn)化的比例和高精度的線/負(fù)載調(diào)整率。工程師花了大量的時(shí)間來處理大量不同的輸入/輸出電壓轉(zhuǎn)化率，動(dòng)態(tài)調(diào)整率以及分布特性來提高性能和可靠性。

假如系統(tǒng)負(fù)載功耗處于千瓦級(jí)范圍內(nèi)，采用高壓設(shè)計(jì)大容量pDN，可減少在系統(tǒng)中的電流等級(jí)（p=V?I），因此可以縮小pDN尺寸，減輕重量并降低成本（線纜、母線排、主板銅箔電源層）（pLOSS=I2R）。在轉(zhuǎn)換為低壓/大電流前，最大限度延長(zhǎng)高電壓運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，盡可能接近負(fù)載，是一大優(yōu)勢(shì)。

但要讓高壓、高功率pDN接近負(fù)載，則要具有高效率及高功率密度的DC-DC轉(zhuǎn)換器。假如輸入至輸出電壓轉(zhuǎn)換比例很大，例如800V或400V轉(zhuǎn)48V，最高效率的轉(zhuǎn)換器是供應(yīng)非穩(wěn)壓的固定比率轉(zhuǎn)換器。這些高效率的轉(zhuǎn)換器，不僅可供應(yīng)更高的功率密度，而且還因較低的功耗，可供應(yīng)更便捷的熱管理。

固定比率轉(zhuǎn)換器的工作原理與變壓器類似，但它執(zhí)行的不是AC-AC轉(zhuǎn)換，而是DC-DC轉(zhuǎn)換，輸出電壓為DC輸入電壓的固定比例。與變壓器相同，這種轉(zhuǎn)換器不供應(yīng)輸出電壓穩(wěn)壓，輸入至輸出變壓由器件的“匝數(shù)比”決定。該匝數(shù)比稱為K因數(shù)，表示為一個(gè)相關(guān)于其電壓降壓能力的分?jǐn)?shù)。K因數(shù)從K=1到K=1/72不等，可根據(jù)pDN架構(gòu)及poL穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行選擇。

圖A：雙向固定比率轉(zhuǎn)換器的工作原理。K=1/16的降壓換器，也可用作K=16/1的升壓轉(zhuǎn)換器。

典型pDN電壓有低電壓（LV）、高電壓（HV）和超高電壓（UHV）。

LV48V、28V或24VHV380V、270VUHV800V、600V、540V

固定比率轉(zhuǎn)換器可以是隔離的，也可以不是隔離的，而且可通過反向電壓轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)雙向功率流。例如，一款支持雙向功能的K=1/16固定比率轉(zhuǎn)換器可以作為一款K=16/1的升壓轉(zhuǎn)換器。

額外的設(shè)計(jì)靈活性包括易于并聯(lián)（可滿足更高功率的電源要求）和串聯(lián)轉(zhuǎn)換器輸出的選項(xiàng)（可通過有效改變K因數(shù)，供應(yīng)更高的輸出電壓）等。

圖B：BCM轉(zhuǎn)換器易于并聯(lián)，滿足更高的電源需求。

眾多終端市場(chǎng)及應(yīng)用的電源需求急劇上升，因此供電網(wǎng)絡(luò)正在經(jīng)歷重大變革。由于新特性的新增以及性能水平的不斷提升，更高的pDN電壓（如48V）正在用于電動(dòng)汽車、輕型混合動(dòng)力車以及插電式混合動(dòng)力汽車。48V符合許多系統(tǒng)要求的安全電氣低電壓（SELV）標(biāo)準(zhǔn)，而p=V?I和pLOSS=I2R的簡(jiǎn)單電源方程式也說明了高壓pDN效率更高的原因所在。

圖C：輸出串連以提高輸出電壓的BCM可實(shí)現(xiàn)更高的設(shè)計(jì)靈活性。

關(guān)于給定功率級(jí)而言，與12V系統(tǒng)相比，48V系統(tǒng)電流為1/4、線路功耗低為1/16。在1/4的電流下，線纜和連接器可以更小、更輕，而且成本也會(huì)更低。用于混合動(dòng)力汽車的48V電池功率是12V電池的4倍，新增的電源可用于動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用，以減少二氧化碳排放，提高燃油里程數(shù)并新增新的安全及娛樂特性。

在數(shù)據(jù)中心機(jī)架中新增了人工智能（AI），使機(jī)架電源需求提高到了20kW以上，因此12VpDN的使用既笨重，效率又低。使用48VpDN，可獲得與混合動(dòng)力汽車相同的優(yōu)勢(shì)。在汽車及數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中，最好保留原有12V負(fù)載及pOL常用降壓穩(wěn)壓器，以最大限度減少要修改的內(nèi)容。

48V符合SELV標(biāo)準(zhǔn)，因此非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器是48V至12VDC-DC轉(zhuǎn)換級(jí)的理想之選，因?yàn)楫?dāng)前的poL12V穩(wěn)壓器能夠應(yīng)對(duì)輸入電壓的變化。非隔離、非穩(wěn)壓固定比率轉(zhuǎn)換器是最高效的高功率母線轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)更低功耗、更高功率密度以及更低的成本。這一高密度有助于最新分布式配電架構(gòu)用于混合動(dòng)力汽車，其中非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器可布置在負(fù)載旁邊，因此可在汽車周圍最大限度運(yùn)行更小、更高效的48VpDN。在刀片服務(wù)器中，這種小型非隔離式48V至12V固定比率轉(zhuǎn)換器可以布置在靠近降壓穩(wěn)壓器的主板上。

許多全新AI加速卡（如NVidia的SXM以及開放式計(jì)算計(jì)劃（OCp）成員的OAM卡）都設(shè)計(jì)有48V輸入，因?yàn)锳I處理器功率級(jí)在500至750W之間。要讓依然在其機(jī)架中使用12VpDN背板的云計(jì)算及服務(wù)器公司使用這些高性能卡，就要實(shí)現(xiàn)12V至48V的轉(zhuǎn)換。在這些加速卡上（或在更高功率的分布式12V至48V模塊中）新增一款雙向K=1/4非隔離固定比率轉(zhuǎn)換器，作為12V至48V升壓轉(zhuǎn)換器（K=4/1），可輕松將AI功能帶入老式機(jī)架系統(tǒng)。

圖D：原有系統(tǒng)的48V電源

VicorNBM2317可將48V高效轉(zhuǎn)換為12V，也可將12V高效轉(zhuǎn)換為48V，因?yàn)镹BM是一款雙向轉(zhuǎn)換器。雙向性可將原有電路板整合在48V基礎(chǔ)架構(gòu)中，也可將最新GpU整合在原有12V機(jī)架中。

電動(dòng)汽車

在電動(dòng)汽車應(yīng)用中，電源需求決定了電池電壓必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前混合動(dòng)力汽車使用的48V，通常選擇400V。400V轉(zhuǎn)換為48V，配送給動(dòng)力總成及底盤周圍的不同負(fù)載。為支持快速充電，400V電池由供應(yīng)穩(wěn)壓800VDC輸出的充電站通過800V至400V轉(zhuǎn)換器充電。

圖E：分布式48V架構(gòu)將多個(gè)功耗更低的更小轉(zhuǎn)換器布置在接近12V負(fù)載的位置。

在400V/48V及800V/400V應(yīng)用中，由于功率要求高，可有效地使用具有高功率密度、效率在98%以上的隔離式K：1/8（400/48）及K：1/2（800/400）固定比率轉(zhuǎn)換器并聯(lián)陣列。穩(wěn)壓可在固定比率轉(zhuǎn)換器級(jí)前面或者后面供應(yīng)。未穩(wěn)壓的功率密度及效率提升，不僅在這一極高功率應(yīng)用中的這個(gè)位置效果顯著，而且還可簡(jiǎn)化熱管理。

高性能計(jì)算

高性能計(jì)算（HpC）系統(tǒng)機(jī)架功率級(jí)通常高于100kW，因此使用380VDC作為重要pDN。在這些應(yīng)用中，K：1/8與K：1/16的隔離式固定比率轉(zhuǎn)換器集成在服務(wù)器刀片中或通過機(jī)架配電的夾層卡上，為主板供應(yīng)48V或12V電源。隨后由12V多相降壓轉(zhuǎn)換器陣列或更高效率的高級(jí)48V至pOL架構(gòu)供應(yīng)穩(wěn)壓。固定比率轉(zhuǎn)換器的密度和效率又一次在實(shí)現(xiàn)這類pDN架構(gòu)中發(fā)揮重要作用，可實(shí)現(xiàn)高性能。

系留無人機(jī)

另一項(xiàng)要隔離的高電壓應(yīng)用就是系留無人機(jī)。系留無人機(jī)的電源線長(zhǎng)度可能會(huì)超過400米，無人機(jī)必須將其提起并保持，才能達(dá)到其飛行高度。使用800V等高電壓，可顯著縮減這些笨重電源線的尺寸、重量和成本，從而可實(shí)現(xiàn)性能更高的無人機(jī)。使用板載固定比率轉(zhuǎn)換器（一般K=1/16）轉(zhuǎn)換至48V，可供應(yīng)非常高效的極小供電解決方案，充分滿足機(jī)載電子產(chǎn)品及視頻有效載荷的需求。

圖F：電壓越高，電線就越輕，系留無人機(jī)飛得就越高。

5G通信

現(xiàn)在，全世界的都在提升4G無線電和天線塔為之前4G設(shè)備5倍的最新5G系統(tǒng)。4GpDN為48V，通過線纜從地面電源系統(tǒng)供應(yīng)。新增5G設(shè)備，功率級(jí)顯著提升，假如pDN要保持在48V電壓下，那直徑就會(huì)非常大，電線就會(huì)很重。電信公司正在研究使用380VDCpDN的優(yōu)勢(shì)，以顯著縮小線纜尺寸。在升壓模式下使用雙向K1/8固定比率轉(zhuǎn)換器，地面48V電源系統(tǒng)可向塔頂供應(yīng)380V的電源（K：8/1）。4G和5G系統(tǒng)在塔頂使用380V至48V穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器，不僅可獲得48V穩(wěn)壓電源，而且還可通過380V細(xì)小電線實(shí)現(xiàn)更低成本的供電。

高性能電源需求在不斷上升。公司及高性能計(jì)算高級(jí)系統(tǒng)、通信與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、自動(dòng)駕駛汽車以及大量交通運(yùn)輸應(yīng)用只是要更多電源的高上升產(chǎn)業(yè)中的幾個(gè)。這些市場(chǎng)有一個(gè)共同的特點(diǎn)：每個(gè)市場(chǎng)都有極大的電力需求，它們都可從高功率密度的小型DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案中獲益，節(jié)省空間并減輕重量。電源系統(tǒng)工程師應(yīng)當(dāng)把固定比率轉(zhuǎn)換器作為實(shí)現(xiàn)更高性能pDN的重要高靈活解決方案，以在整體系統(tǒng)性能方面獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

作者philDavies，Vicor公司全球銷售及市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁

Vicor是一家領(lǐng)先的全球電源模塊技術(shù)公司，始終致力于為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員供應(yīng)高級(jí)、高性能模塊化解決方案，幫助他們應(yīng)對(duì)最艱巨的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。我們始終站在配電架構(gòu)、轉(zhuǎn)換拓?fù)浼胺庋b技術(shù)的最前沿，不斷提高Vicor電源模塊的密度、效率和供電能力。此外，我們還可為我們的基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)及汽車應(yīng)用客戶帶來競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，幫助他們快速推進(jìn)其獨(dú)特的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。