使用分布式電源架構(gòu)的電信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)通常采用中間總線電壓為各種系統(tǒng)板上的負(fù)載供電。傳統(tǒng)上，中間總線電壓為48 VDC。但是，電路板上的電子電路和器件可以使用3.3 V至1 V及更低的電壓，具有高電流消耗。例如，最新一代處理器的核心電壓為1 V或更低，電流要求超過100 A.同樣，其他電子負(fù)載，如FPGA和存儲(chǔ)器件，也有嚴(yán)格的電源需求。

由于設(shè)計(jì)具有高效率的高降壓比DC/DC轉(zhuǎn)換器并不簡單或具有成本效益，因此大多數(shù)設(shè)計(jì)人員選擇使用中間總線轉(zhuǎn)換器模塊將總線電壓進(jìn)一步降低至24 V，12 V或更低或磚塊。然后，他們使用高速非隔離負(fù)載點(diǎn)（POL）降壓或降壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生3.3 V及以下的電壓，以便為系統(tǒng)板上的不同負(fù)載供電。

面臨的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)高降壓比DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器，可提供48至3.3 V及以下的電壓，同時(shí)以最低的成本保持高效率和高密度。通常，這種高降壓比DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率低于預(yù)期，并且設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性，特別是對(duì)于硅器件。然而，通過將建筑的進(jìn)步與創(chuàng)意電路設(shè)計(jì)和包裝制造商（如Vicor）相結(jié)合，成功地解決了這個(gè)問題。與此同時(shí)，利用氮化鎵（GaN）器件的高壓能力，高效功率轉(zhuǎn)換器（EPC）等供應(yīng)商開發(fā)了基于增強(qiáng)型GaN（eGaN）FET的降壓轉(zhuǎn)換器，以有效且經(jīng)濟(jì)高效地解決這些問題。具有高功率密度。

硅解決方案

讓我們先來看看基于硅的解決方案。 Vicor是一家成功開發(fā)高效硅解決方案以滿足高密度高降壓比轉(zhuǎn)換器的電源制造商。該公司正在擴(kuò)展其新穎的專有架構(gòu)，稱為分解功率架構(gòu)（FPA），以生成高降壓比DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案，該解決方案可采用48 V總線輸入并將其降壓至低至1 V的負(fù)載電壓。與傳統(tǒng)的DC/DC電路不同，Vicor的FPA方法也考慮了分布和連接器損耗。

通過分離DC/DC轉(zhuǎn)換器的經(jīng)典功能，F(xiàn)PA及其新穎的電源轉(zhuǎn)換構(gòu)建模塊，PRM和VTM，可以提供從中間總線電壓到處理器內(nèi)核的高效電源系統(tǒng)解決方案。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，F(xiàn)PA采用典型DC/DC轉(zhuǎn)換器的調(diào)節(jié)，隔離和電壓轉(zhuǎn)換功能，并將它們分離或分解為單個(gè)元件。然后將屬于VI芯片系列的這些獨(dú)立組件安排在最佳電源架構(gòu)中，如圖1所示。

圖1：PRM和VTM模塊是基礎(chǔ)分解功率架構(gòu)（FPA）的構(gòu)建塊。

VI芯片PRM穩(wěn)壓器采用非隔離降壓 - 升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，創(chuàng)建一個(gè)嚴(yán)格調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)的直流輸出 - 分解總線VF - 饋入VTM變壓器。固定比率變壓器VTM使用正弦幅度轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋵F直接下變頻到負(fù)載電壓。該架構(gòu)使用MHz頻率零電壓（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）來實(shí)現(xiàn)高效率和高功率密度。根據(jù)Vicor關(guān)于該主題的白皮書1，PRM模塊的額定峰值效率高達(dá)97％，密度超過1，000 W/in3。 Vicor還報(bào)告說，VTM的峰值效率為94％，密度為100 A/in3。

將PRMVM變壓器VTM48EF012T130A00等PRM調(diào)節(jié)器與VTM變壓器VTM48EF012T130A00相結(jié)合，產(chǎn)生了DC/DC解決方案（圖2）采用48 V總線電壓，產(chǎn)生1 V的低處理器核心電壓，符合英特爾VR12.0規(guī)范。如圖所示，該FPA動(dòng)力總成使用單獨(dú)的VID控制器IC，其充當(dāng)處理器VID和動(dòng)力系之間的轉(zhuǎn)換器。根據(jù)Vicor的說法，F(xiàn)PA動(dòng)力總成使用最佳的快速模擬控制回路來提供精確的處理器核心電壓。

圖2：在分解的電源架構(gòu)中組合PRM和VTM模塊， Vicor已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)高效的48至1 V處理器核心電壓降壓轉(zhuǎn)換器。

Vicor創(chuàng)建的穩(wěn)壓器測試板上的效率性能測試表明，基于FPA的解決方案比傳統(tǒng)的基于IBA的解決方案更有效。實(shí)際上，根據(jù)Vicor的內(nèi)部測試，基于FPA的解決方案比60％到100％處理器負(fù)載的傳統(tǒng)解決方案效率高5個(gè)百分點(diǎn)（圖3）。尺寸也有類似的改善。與使用總線轉(zhuǎn)換器首先將48 V降至中間水平的傳統(tǒng)IBA方法相比，該公司聲稱電路板空間提高了50％。此外，基于FPA的48至1 V DC/DC解決方案還可提供符合Intel VR12.0規(guī)范的負(fù)載線和瞬態(tài)響應(yīng)性能，并且不使用不可靠的電解電容。

圖3：基于Vicor分解功率架構(gòu)的48 V至VR12.0處理器核心電壓DC/DC解決方案明顯比同類傳統(tǒng)解決方案更高效。

使用eGaN FET

增強(qiáng)型氮化鎵（eGaN）FET供應(yīng)商高效功率轉(zhuǎn)換（EPC）建議在此應(yīng)用中使用eGaNFET2。該公司吹捧的eGAN晶體管的一些主要優(yōu)點(diǎn)包括更低的導(dǎo)通電阻，更高的擊穿電壓，更高的開關(guān)頻率，以及更高的系統(tǒng)效率和功率密度。從本質(zhì)上講，eGaN FET克服了硅MOSFET的最小導(dǎo)通時(shí)間問題，從而實(shí)現(xiàn)了高效，緊湊的高降壓比降壓轉(zhuǎn)換器。

為了簡化使用eGaN FET評(píng)估48至5 V和更低電壓非隔離降壓轉(zhuǎn)換器的任務(wù)，EPC為其100 V eGaN器件構(gòu)建了EPC9002和EPC9006評(píng)估板。然而，與Vicor的隔離解決方案不同，基于eGaN FET的高降壓比降壓轉(zhuǎn)換器是非隔離電路。采用半橋配置的eGaN FET，該公司已經(jīng)構(gòu)建了一個(gè)48至1.2 V降壓轉(zhuǎn)換器，并將其效率性能與使用相同驅(qū)動(dòng)器（德州儀器）LM5113的先進(jìn)硅MOSFET版本進(jìn)行了比較。圖4顯示了在500 kHz開關(guān)頻率下工作的兩個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器的測量效率性能。它表明基于eGaN的高降壓比降壓轉(zhuǎn)換器比從光到滿的硅同類產(chǎn)品更高效。負(fù)荷。

圖4：EPC測量結(jié)果表明，基于eGaN FET的高降壓比降壓轉(zhuǎn)換器比從輕載到滿載的硅對(duì)應(yīng)器效率更高。

總之，本文中討論的示例表明，隔離和非隔離，高降壓比DC/DC轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在可用于應(yīng)對(duì)從48 V中間總線轉(zhuǎn)向的挑戰(zhàn)電壓降至處理器電壓。雖然硅在隔離扇區(qū)中繼續(xù)保持優(yōu)勢，但GaN晶體管正在成為非隔離式高降壓比降壓轉(zhuǎn)換器的可行解決方案。