现代电子系统中的DC配电通常需要针对效率、尺寸和成本进行优化
作者：GAIA Converter高级设计工程师Jean-Loup Guédon
即使考虑到DC功率分布，输入和输出电压之间的差异也会变得更大，电源轨经常会发生很大的变化，而输出（有时低至1V左右）必须更加准确且无干扰。
大范围输入隔离的单级功率转换会导致效率的折衷，并且该布置不能提供多个精确的输出。因此，一种常见的解决方案是使用由中间总线转换器（IBC）生成的通常为12V、24V或28V的中间DC总线，然后使用典型的非隔离高效负载点（PoL）转换器。它靠近负载放置，以在高电流连接中获得最佳电压精度和最低功耗。IBC通常是隔离的，并将电压从宽输入范围转换为固定稳压或半稳压输出。图1显示了一个典型的布置。


图1：使用中间总线和负载点转换器的典型分布式电源架构，此处的负载是Xilinx SoC器件

浏览设计约束因素
在高性能中间总线系统的设计中，有许多约束和目标需要考虑，例如：
●      输入的动态特性；标称范围、浪涌、尖峰和骤降
●      从电源到端负载的隔离要求；实际和法定考虑
●      提供具有自身静态/动态特性和稳压要求的多个输出
●      总体效率目标和系统元件之间的功率损耗分配
●      空间和成本预算
在高水平上，这些要求似乎可以通过分立设计或来自各种厂商的适当模块的组装来满足。然而，这并不是全部，因为专业设计，特别是在高可靠性应用中，还必须考虑瞬态和故障条件，以及这些条件如何传播和影响系统可靠性和可用性。当已知实际占用的体积和耗散的功率时，在受限空间中提供冷却也可能是一个主要问题，并且通常只能在稍后的设计中解决。所有这些次要考虑因素都可能对硬件和系统开发时间产生重大成本影响。
具有广泛系统影响的二次效应的一个例子是可能发生在PoL转换器输出上的瞬态和故障电流。电容性负载在启动时自然会发生瞬态，如果它们明显超过正常运行电流，则PoL和之前的IBC可能大得超过正常，以避免过载、应力和中间总线电压的下降，这可能会影响其他PoL的启动。类似地，如果系统的最大可用性是必要的，PoL输出上的短路和无意过载不应影响中间总线，而其他PoL保持其输出，即使其中一个处于故障条件下。在高可靠性应用中，可能包括冗余和监控，以便即使单个PoL短路，也能保留完整的功能。

中间总线转换器通常尺寸过大
来看一些数字，例如，如果5V PoL的额定运行输出电流为5A，则可用器件的电流限制可能高达16A，并在内部设置。这可能代表了当启动浪涌达到极限时，IBC的瞬时额外功率为60W，从而实现转换效率。系统中的其他PoL也将有助于启动电流浪涌，因此尽管IBC可能不会受到瞬态负载的热应力，但它必须能够在不降低输出电压的情况下予以提供。因此，它可能需要被额定为明显高于额定运行功率，增加了尺寸和成本。
一种解决方案是选择精确电流限值略高于正常运行电流的PoL，这样浪涌和故障电流就不会反射回中间总线。然而，具有精确电流限制的PoL很罕见，因为在没有不可接受的损耗或高成本的情况下很难感测DC输出电流。一个常见的折衷方案是包括过载和超温停机的功率限制，而不是电流限制。然而，功率限制通常控制得很差，并且产生的电流随着输入电压、温度和其他电路条件而变化。
如果有精确电流限制的PoL可用，则需要选择与每个输出的单个预期运行电流相匹配的器件。这意味着多种类型，可能采用不同的机械形式，每种类型都有自己独特的散热要求。如果考虑分立设计，散热将成为一个更大的挑战，因为通常使用的组件，特别是降压转换器拓扑中的电感器，尺寸非常可变。此外，未来对正常运行电流的任何更改都需要采购和认证新的PoL，甚至可能重新设计主板。

具有可微调电流限制的更好解决方案
具有可控浪涌、可微调电流限制和可微调输出电压的PoL是理想的经得起未来考验的解决方案，可从GAIA Converter（如其MPGS14EB产品）获得。除了减少进入电容性负载的峰值涌入电流外，MPGS14EB还可以设置为仅提供一点额外裕度的设计运行电流，从而使短路不会反映为中间总线上的高电流。这可确保其他MPGS14EB器件不受影响，并实现最大的系统可用性，尤其是在包含冗余和监控的情况下。PoL模块的通用设计可以使用在最高和最低输出要求之间可调节的电压和电流限制。不可避免地，一个或多个PoL可能以低于其最大容量的速度运行，但所支付的任何溢价都会被中间总线转换器的成本和尺寸的节省所抵消。使用MPGS14EB还有一个优点，即具有相同的PoL，具有通用的机械形式，具有规模经济性和散热容易性。使用常见的PoL可以减少开发和认证时间，并且避免一个短路的PoL影响总线以及其他PoL的交叉耦合效应，这在高可靠性系统中当然是非常宝贵的。
图2显示了与没有该功能的PoL相比，来自GAIA Converter的MPGS14EB如何在有电容负载的启动时控制峰值电流。


图2：有控制涌入电流和无控制涌入电流的PoL的峰值启动电流的比较


图3：具有和不具有PoL可微调电流限制的总线转换器上的最大故障负载示例
图3显示了在一个示例分布式电源系统中，如何在过载条件下将母线负载和IBC额定值减半，其中PoL包含可微调电流限制。
GAIA Converter板安装，通孔焊盘MPGS14EB器件，最大功率为260W，但适用于在低至30W的宽负载范围内高效运行。实现的典型效率为97%。输出电压可从1.2V调整到24V，电流限制可从0调整到16A，使其非常通用，可匹配各种负载。该器件还包括用于顺序控制、同步和负载电流监测的引脚，并且可以与有源负载共享并联。输入电压范围超宽，为4.75-36VDC（42V/100ms峰值）。作为降压转换器，输入电压总是设置得高于输出电压。
从物理上讲，MPGS14EB采用28 x 20 x 8mm的金属外壳，其顶面适合连接到散热器或冷板，可以方便地跨接多个器件。通过使用高性能树脂封装，进一步降低了热阻抗。

现在可以选择总线转换器来优化系统
应探索IBC的输入电压范围、可选输出电压和输出负载范围的极值，以找到IBC和PoL的组合效率最高的“最佳点”。GAIA Converter提供具有从10W到500W以上的广泛额定功率选择的稳压总线转换器，并具有所有公共总线电压输出。输入范围包括9-36V、12-40V和超宽12-140V。图4显示了一个示例分布式电源系统，使用500W GAIA MGDS500 IBC和5个GAIA MPGS14EB PoL。


图4：采用可编程电流限制的GAIA Converter的单个PoL类型的分布式电源系统示例

结论
分布式电源架构的设计涉及许多选择，并且可能在瞬态负载和短路条件下受到负载点转换器性能的严重限制。通过选择具有可编程电流限制的PoL消除了限制，设计者可以更自由地选择最佳且经济高效的解决方案。
 
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