负载点 DC/DC 转换器应对电源系统设计挑战
2023-12-22
电源的最基本功能是以极高的效率将输入的交流电压转换为一个或多个低电压和高电流的直流电压。要想通过减小导线电阻来实现相同的目标，需要将导体横截面积增加四倍，无疑会增加重量和成本。RECOM 宣布推出两款新型经济高效的 DC/DC 稳压器系列，它们作为“负载点”解决方案非常适合电源轨应用。
典型设计首选包含功率因数校正 (PFC) 的大容量交流/直流转换模块，以最大限度地提高交流电源的可用功率并满足各种监管功率因数要求。
设计 DC/DC 架构的方法有很多种，但是为了在电源效率、器件尺寸、速度和成本方面取得突破，电源架构已从笨重且低效的集中式电源架构 (CPA) 发展为紧凑且高效的分布式电源架构 (DPA) 和中间总线架构 (IBA)。
图 2 显示了三种设计类型。CPA 架构在中央位置生成所有系统电压，然后使用配电总线将所需的直流电压（例如 12V、5V 和 3.3V）路由到各个 PCB 和设备。
相比之下，DPA 和 IBA 依赖于 24V 或 48V 的较高直流系统电压。负载点 (PoL) DC/DC 转换器 然后将电压转换为所需值。顾名思义，PoL DC/DC 转换器无限靠近负载。
设计 DC/DC 架构的方法有很多种，但是为了在电源效率、器件尺寸、速度和成本方面取得突破，电源架构已从笨重且低效的集中式电源架构 (CPA) 发展为紧凑且高效的分布式电源架构 (DPA) 和中间总线架构 (IBA)。
图 2 显示了三种设计类型。CPA 架构在中央位置生成所有系统电压，然后使用配电总线将所需的直流电压（例如 12V、5V 和 3.3V）路由到各个 PCB 和设备。
相比之下，DPA 和 IBA 依赖于 24V 或 48V 的较高直流系统电压。负载点 (PoL) DC/DC 转换器 然后将电压转换为所需值。顾名思义，PoL DC/DC 转换器无限靠近负载。
这两种架构旨在最大限度地减少功耗。通过电阻连接（无论是电线、母线还是 PCB 走线）将电力从电源传输到负载的过程中，都会产生热量形式的功率损耗，称为配电损耗。电流的配电损耗与电流的平方成正比，计算公式如下： P = I2R，其中 R 是电线或母线的电阻。减少配电损耗就需要减少电流或电线的电阻。
为了保持向负载提供的总功率不变，如果降低电流就需要增加电压 (P = VI)。例如，将电压从 24V 增加一倍至 48V，电流可减少 50%，从而使配电损耗减少 75%。要想通过减小导线电阻来实现相同的目标，需要将导体横截面积增加四倍，无疑会增加重量和成本。
选择分布式电源架构的另一个原因是热管理可以获得改进。分布式设计将发热元件分布在设备的整个表面区域，以最大限度地减少热点。热量对电子元件危害极大。众所周知，工作温度升高会导致元件故障率大幅增加。在某些应用场合中，例如体育场馆或拉斯维加斯赌场使用的大型 LED 显示屏，随处可见过热导致的屏幕损坏。LED 的光输出随着结温的升高而下降。局部热点可能会导致 LED 元件快速失效，并且在整个使用周期内显得更暗。
为了保持向负载提供的总功率不变，如果降低电流就需要增加电压 (P = VI)。例如，将电压从 24V 增加一倍至 48V，电流可减少 50%，从而使配电损耗减少 75%。要想通过减小导线电阻来实现相同的目标，需要将导体横截面积增加四倍，无疑会增加重量和成本。
选择分布式电源架构的另一个原因是热管理可以获得改进。分布式设计将发热元件分布在设备的整个表面区域，以最大限度地减少热点。热量对电子元件危害极大。众所周知，工作温度升高会导致元件故障率大幅增加。在某些应用场合中，例如体育场馆或拉斯维加斯赌场使用的大型 LED 显示屏，随处可见过热导致的屏幕损坏。LED 的光输出随着结温的升高而下降。局部热点可能会导致 LED 元件快速失效，并且在整个使用周期内显得更暗。
DPA 还是 IBA——如何选择？
许多工业和工厂自动化应用 使用 5V 或 3.3V 电压作为数字设备的系统电压。这些应用非常适合采用在每个负载处配置单个 PoL DC/DC 转换器的 DPA，以便将 48V 电源轨降压至低电压。
然而，许多其他应用，包括 4G 和 5G 电信装置、数据中心的高性能刀片服务器机架、云计算和企业 IT 系统，主要依赖于具有小尺寸设计的 MPU、GPU 和 ASIC 等数字设备，这些数字设备的运行电压为 1.8V 甚至更低。这些设备需要电源提供数百安培电流和极快的瞬态负载响应。单步将 48V 降压至 1.8V 的效率很低，因为 DC/DC 转换器开关晶体管的占空比非常低，导致瞬态响应缓慢。
对于上述应用，IBA 是首选。中间 DC/DC 转换器级将 48V 转换为 3.3V 或 5V 等电压，PoL DC/DC 转换器执行 3.3V 至 1.8V 的最终转换。此外，输入和输出之间的比率较小，可以实现更快的响应时间。
然而，许多其他应用，包括 4G 和 5G 电信装置、数据中心的高性能刀片服务器机架、云计算和企业 IT 系统，主要依赖于具有小尺寸设计的 MPU、GPU 和 ASIC 等数字设备，这些数字设备的运行电压为 1.8V 甚至更低。这些设备需要电源提供数百安培电流和极快的瞬态负载响应。单步将 48V 降压至 1.8V 的效率很低，因为 DC/DC 转换器开关晶体管的占空比非常低，导致瞬态响应缓慢。
对于上述应用，IBA 是首选。中间 DC/DC 转换器级将 48V 转换为 3.3V 或 5V 等电压，PoL DC/DC 转换器执行 3.3V 至 1.8V 的最终转换。此外，输入和输出之间的比率较小，可以实现更快的响应时间。
面向 PoL 应用的 DC/DC 转换器
RECOM 宣布推出 RPMGS-20 和 RPMGS-20，两款新型经济高效的 DC/DC 稳压器，作为 DPA 中的 PoL 解决方案，特别适合 24V、28V 和 48V 电源轨。
RPMGQ-20 和 RPMGS-20 是开放式框架通孔非隔离 DC/DC 降压转换器，额定输出电流为 20A。RPMGQ-20 采用行业标准的四分之一砖引脚输出，而 RPMGS-20 采用新兴的标准封装尺寸 36.83mm x 34.04mm (1.45" x 1.34")，采用标准的十六四分之一砖引脚输出。两款产品距安装表面的最大高度均为 15mm。它们支持 18V–75V 输入，可选标称输出为 5V 或 12V，可在较宽电压范围内调整，分别为 3.3V 至 8V 和 8V 至 24V。
RPMGQ-20 和 RPMGS-20 部件的效率非常高，12V 输出版本的峰值为 98%，5V 输出版本的峰值为 94%，低至 10% 负载左右时效率曲线几乎没有变化。由于低损耗和先进的热设计，所有型号均可在环境温度超过 90°C 并存在气流的条件下实现满载，120°C 时需要降额。
该产品具有输入欠压、输出过流、短路和过温等全面保护功能。还提供遥感和控制输入功能。
RPMGQ-20 和 RPMGS-20 是开放式框架通孔非隔离 DC/DC 降压转换器，额定输出电流为 20A。RPMGQ-20 采用行业标准的四分之一砖引脚输出，而 RPMGS-20 采用新兴的标准封装尺寸 36.83mm x 34.04mm (1.45" x 1.34")，采用标准的十六四分之一砖引脚输出。两款产品距安装表面的最大高度均为 15mm。它们支持 18V–75V 输入，可选标称输出为 5V 或 12V，可在较宽电压范围内调整，分别为 3.3V 至 8V 和 8V 至 24V。
RPMGQ-20 和 RPMGS-20 部件的效率非常高，12V 输出版本的峰值为 98%，5V 输出版本的峰值为 94%，低至 10% 负载左右时效率曲线几乎没有变化。由于低损耗和先进的热设计，所有型号均可在环境温度超过 90°C 并存在气流的条件下实现满载，120°C 时需要降额。
该产品具有输入欠压、输出过流、短路和过温等全面保护功能。还提供遥感和控制输入功能。
结论
客户对更高效率、更好热管理和更高瞬态性能日益严格的要求促进了电源架构设计的发展。具有高效率的 PoL 和中间总线 DC/DC 转换器是这些新方法的关键组件，RECOM 的新型 RPMGQ 开放式框架设计 是分布式电源应用的理想之选。
应用
