先进分布式电源

日期:2017-03-05

使真正多源数字DC/DC转换器成为现实
作者:Mark Adams, CUI和Mark Patrick, Mouser Electronics
 
DC-DC转换器模块已经存在很长时间了,可以在今天各种应用的功率转换级中发现。随着它们的使用演变为不断变化的应用需求,所以也改变了构建它们的设计方法。
这些趋势之一意味着,为了保持转换效率,在分布式电源架构中,必须尽可能接近负载进行最后阶段的电压转换。负载点(POL)转换器通常为一个微处理器或可编程逻辑器件如FPGA供电,这种方法提高了整体功率转换效率,此外还提高了系统布线或长PCB走线产生杂散阻抗的输出电压稳定性。
随着分布式电源架构的使用越来越普及,所以没有必要提供不同电压轨,形成了稳压和非稳压,以及中间母线架构(IBA)概念(见图1)。
 

图1:在同一个板上采用PoL转换器的中间母线架构(来源AMP Group)
 
寻找正确的解决方案
随着DC-DC转换器模块成为许多设计的一个基本组成部分,客户越来越关注供应链的可靠性,并需要二源等效器件。电源行业协会在推动制定标准来解决这些问题。
在大多数情况下,开发的规范解决了那时的重要问题,确保了设备的标准机械占用空间和输出功率、输入电压范围、标准等的核心电气特性。通常所适用标准是一种特定类型的转换器,如稳压或非稳压。它们没有解决发生在转换器模块本身的问题,如转换拓扑结构,制造来自另一个制造商的DC-DC转换器的过程并不像表面上那么简单。
在两个相关趋势组合撼动了DC-DC功率转换市场之前,这些标准满足了行业的第二采购转换器需要。第一个是用于功率转换应用的数字信号处理器件催生了数字DC-DC转换器的创造。能够精确影响控制回路的转换过程意味着你可以动态改变输出电压来适应负载条件。在领先半导体厂商联盟建立一个标准通信协议来数字监控和控制电源转换过程后不久,这一技术趋势很快得以补充。形成了行业标准PMBus协议。
应该简单地提及,考虑第二个来源模块的另一种方法是在应用中设计一个分立的DC-DC转换器。虽然在低功耗或极为敏感的大批量应用中分立设计有它们的优点,但工程专业知识和上市时间正在成为“制造对购买方程”越来越多的因素。
有能力设计一个高效转换电路是经验丰富的电力系统工程师,其中的人很少。另外,由于开发过程的本质,由于错综复杂的设计和实现所需的成果所需专门知识,这是不可能的。
 
拥抱数字
在过去几年,嵌入式开发人员已经越来越多地采用数字DC-DC转换器。像FPGA这样的复杂可编程逻辑器件现在需要先进电源管理功能,如器件排序和控制升温速率,以正确进行操作。另外,空间受限应用的压力有了电路板空间,需要优先减少外部组件,这些数字转换器是最合适的。
共享特性,如模拟控制DC-DC转换器中的普通电源开关和输出滤波器,数字器件明显受益于实时控制适应负载条件变化的灵活性。通信、监控、控制持续实施了行业标准PMBus。
提高功率转换系统整体功率效率也是关键。使用数字电源模块也简化或有助于许多其他方面的电源系统设计,包括有功均流、电压排序、跟踪、软启动和停止,以及同步。在数据网络应用中这是特别重要的,因为功率预算随所需数据吞吐量而增加。在低数据量期间期间能够调整转换器仍然有效并以较低时钟速度运作至关重要。
在低负载,电源相对低效,导致过多的能源消耗和产生热能,不良的技术可导致金融和环境后果。通过实施包括中间母线和POL转换器的数字控制回路,中间母线电压可以根据不同负载动态变化。POL转换器的输入电压可以在低负载的情况下调整,加大低负载转换效率。
一个数字POL DC-DC转换器的例子是CUI的NDM2Z-50(见图2)。这种单输出转换器输入电压范围在4.5至14 VDC,可编程输出电压范围从0.6到3.3 VDC,能够提供多达50 A输出。配备的一系列PMBus控制等功能,如电压跟踪、同步和相张(phase-spreading)与监测关键操作参数,这种高效、紧凑的转换器模块提供了垂直或水平格式。
 

图2:示例数字POL DC-DC转换器,来自CUI的NDM2Z-50(CUI提供)
 
动态电压缩放(DVS)等技术可以用来节省能源。如果计算资源的需求减少,那么处理器的时钟频率连同它的电源电压也可以减少。通常,开环功能的DVS可以通过使用一个简单查找表来匹配处理器计算需求的预定组合的频率和电源电压。
作为闭环功能运行的另一种方法是自适应电压缩放。AVS相比DVS更为先进,可适应传递到处理器的电压,考虑其时钟速度和计算加载需要的最低要求。
在图3中可以看到通过PMBus控制数字转换器开关频率的好处。本例中,利用了上述NDM2Z-50,突出了在所有负载条件下开关频率的运行效率的影响。这需要考虑上下文的其他参数,如输出电压和瞬态响应,以收集一个给定负载和电压输出所需的最有效转换器设置的完整观点。
 

图3:开关频率对一个给定负载条件效率的影响
 
数字转换器也可以纳入补偿回路的能力,调整闭环控制回路的频率响应,以达到最佳瞬态响应,而不影响稳定性。在此之前,创建补偿网络需要大量时间来完善,包括使用试错技术,由于温度和元件老化一些东西容易发生变化。
在过去十年中,半导体工艺技术的进一步发展带来了新的处理器件,同时提供了飞跃计算能力,也挑战了对电力的需求。不再是调节公差测量范围在±10 %。1%的水平已成为规范,现在的公差值为±0.5%。由于数字电源,下一代硅器件也提供半导体厂商更好的收益率。如FPGA的器件可以进行优化,分级理想核心工作电压。
毫无疑问,行业采用的标准有助于第二来源的过程。随着业界流行输入和输出电压的共识,这主要表现在可能直接替代机械和布局规格的情况。然而,复杂的电源管理IC的推出,同时使转换过程更加有效,并可能管理转换器,已有越来越多软件驱动的环境。这个软件层带来了转换器配置参数和转换过程控制的复杂性,这意味着第二来源会遇到另一套互操作性的挑战。
考虑到过去几年来,电力输送模块所需的标准已跟不上这些进展,数字电源的三位行业领袖,CUI、Ericsson Power Modules和Murata 2014年10月共同组成了现代电源架构(AMP Group)联盟。为促进双方深入的技术合作,AMP Group建立了涵盖数字电源DC-DC转换器机械、电气、通信、监测和控制规范(见图4)。他们定义了数字POL转换器、再细分了输出电流和先进母线转换器(ABC)。
 

图4:AMP Group标准
 
NDM2Z-50表明40–50安培范围可提供全面输出电流的转换器符合上述mega AMP标准。另一个符合这个标准的产品例子是来自此标准创始成员AMP Group、Murata之外的OKDX-T/50-W12-001-C。不仅这两个产品共享相同的电气和机械规格,而且配置文件也可以互换使用。在先进母线转换器领域,互操作性的例子可以在CUI的NEB-D系列和爱立信的BMR457系列看到,它满足ABC-ebAMP标准。
 
 
www.cui.com
www.mouser.com
 

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