V•I晶片--高效服务器及设备系统电源解决方案

中电华星新品介绍三月 16,2011

引言

       电源设计一直是一个极富挑战性的工作。随着许多传统的难题得以解决，一些开关电源的效率及技术标准将再次展现新的挑战。深圳市中电华星电子技术有限公司作为国内最大电源模块技术分销商，为大家推荐一种高效、高速、价廉的全新服务器及设备系统供电解决方案。
       服务器及各类设备系统中电子系统如高端处理器及记忆体，对电源的需求是趋向更低电压、更高电流的应用同时让电源对负载的反应速度也提出了更高的要求。因此电源工程师要设计出符合系统要求的细小、价廉、高速、高效率的电源系统。而这些要求都不是传统功率架构能够完全满足的。Vicor 提出的分比功率架构(Factorized Power Architecture TM FPA)以及一系列的整合功率元件，可提供革命性的功率转换方案，应付以上提及的各项挑战并已成功应用于IBM高端服务器市场。这些功率元件称为V•I 晶片。在此，中电华星特请VICOR专业电源工程师为大家详解V•I 晶片如何搭建AC-DC电源系统。
一、两种架构对比，V•I 晶片分比式架构各项指标优势明显
        VICOR公司提出了更具灵活性、更多设计电源系统的选择。分比功率(FPA)和V•I 晶片的其中一个要点是为了增加电源系统的灵活性。在以前的分布式电源架构(DPA)时代，AC-DC 转换器把三个基要功能：隔离、转换、稳压集合于一身成为砖式模块。但这种方法已不能够满足现今的应用，特别是对成本及性能表现的要求。在中转母线架构(IBA) 中，非隔离负载点转换器放弃了隔离和高比例电压转换来减低成本。但是在低压高电流应用及电源反应速度上仍不能满足要求。
        V•I 晶片系列中的BCM、VTM和PRM，是特别针对不同额定输入及输出电压、不同功率的封装而设计。它提供一系列的功率转换元件给电源系统设计者，达至低成本地解决几乎所有电源转换的疑难。快捷地做出即少外加元件而又高密度、低矮的方案。获得低成本、高效率并且是最尖端的表现。
       本应用文章叙述使用Vicor的母线转换模块(以下简称BCM)作为中转母线转换器(以下简称IBC)，为非隔离负载点转换器(niPOL)配电的实行方案。而本文章将集中讨论在300瓦或以下的AC-DC电源系统(更高功率可以多个BCM并联)。

如图1即一个典型的分布式电源架构依据不同的应用，这种分布电源系统有某些缺点。多个隔离式的AC-DC 转换器其实重复了整流、隔离、变压、稳压的功能，并在线路板上占据大量空间。如使用niPOL 作为转换至更低电压，它们总体效率一般只有70%左右。

而图2 则显示一个48VDC 或12VDC 母线，如图中所示是Vicor 的384V转12V(K=1/32)或48V(K=1/8)的BCM。而K是指BCM 的电压转换比率或固定比率。此构架要比图1中电路结构带来多个优点。384V转12V或48V的BCM可放置在电源板上的输入接口端。可把背板较高电压的384V安全地隔离并且可闲置更多空间给负载点处。
把传统的转换器的隔离（isolation），变压(transformation)及稳压(regulation)分开。在图3中，（BCM）提供了电压转换和隔离，而niPOL 转换器则提供紧密的负载调整。因BCM是个非常高转换效率的模块，并且可使niPOL 的降压比率减低，从而整个系统可以维持更高效率。

       图3中使用了VICOR 公司的FE375-1 PFC 前端。输出功率2200W，有四路384Vdc非隔离输出。可带6个HVBCM 并联。实现高功率因数的AC-DC 电源。同时设计师可自行设计PFC 前端（见第四章节、PFC 应用举例），使用你的电源更具灵活性、更多电源系统的选择。
       niPOL 的细小规格，使用细小的板面空间，及更有效用吹风冷却，正好补充了今天高功率密度的封装设计。niPOL 可以安置在较近负载，可以更有效处理快速的负载瞬态。而可以避免被板上其他电路的噪声耦合。
       BCM 的功率转换是使用崭新的正弦振幅转换技术（Sine Amplitude Conversion,SAC），可容易使用BCM 实现高效率，高密度达1095W/in3，及更快负载瞬变响应（详细BCM 参数表可在中电华星网站下载）。更快负载瞬变响应代表更少的下游能量储存需求。且BCM的功率转换更有独一无二的电容倍增特性。如使用K=1/4的BCM时，其有效输出电容值是输入电容值的16倍。明显地，需要外加在BCM的输出电容便可大大减少。这因为电容所储存的能量是1/2 CV2，只需在BCM的48V输入端加上少量的电容，与其加在往后niPOL的12V输入端的大电容有着相同效果。而这也有赖SAC技术所做出的低输入和输出噪声，可明显地减低滤波器的要求。更快的瞬态响应，对负载的快速变化提供更多功率。现今的负载已不单要求高电流,且是更快的瞬态响应。不论负载变化大小，有效开关频率达3.5MHz的BCM可在一微秒内作出响应。这比现时最快响应的砖式模块还要快20倍。

        在中转母线架构应用中，使用Vicor的BCM及现成的niPOL转换器可以达到更有效和更便宜的电源方案。设计师可获得从Vicor BCM的高频转换及快速的负载瞬变响应所带来的电容倍增优点。任何加在BCM输入端的电容，可比有效等于1/K2乘上BCM的输出电容(即niPOL的输入)的效果相同。在某些应用中，在niPOL输入和BCM输入同时加上电容可比原厂建议的电容有更佳结果。但要注意的是加在BCM的输出电容不应超出BCM参数表所列出的最大容许电容值。
二、自行搭建AC-DC的PFC电路应用举例
        功率因数校正解决方案的选择范围包括无源电路到各种有源电路。因应用的功率水平和其他参数的不同，解决方案也会有所不同。近年来分立半导体元件的发展和更低价格的控制IC的上市，进一步拓宽了有源PFC解决方案的适用范围。在评估PFC解决方案时，重要的是要把整个系统的实施成本和性能结合起来进行综合评估。
       最终应由设计师进行折衷研究，来决定究竟应采用哪种拓扑，用升压还是反激，连续工作模式还是不连续工作模式，来满足整个系统的性能要求。得到了一个廉价而又小型的解决方案。
（1）使用Infineon-ICE1PCS01芯片设计前端PFC电路描述和计算
（2）使用VICOR HVBCM模块：B384F120T30做为中转母线
（3）使用Cyntec niPOL：HS20118做为负载点稳压转换

PFC 设计：
表1 显示了设计的基本电气参数。

1、整流桥
为了在输入电压85VAC时能获得300W的输出功率，最大输入RMS电流是：

AC峰值电流为：

这里将选用大于6A的整流桥。
2、功率MOSFET 和栅极电路
在这里300W 的应用中选用SPP20N60C3 型号的MOSFET 管。

3、BOOST 二级管
Boost 二极管D1 对于系统在反向恢复期间具有很大的影响。所以一个超高速的二极管需要用来减少开关损耗。在这里使用碳化硅的肖特基二级管具有杰出的反向恢复时间。开关损耗几乎在选用了肖特基二级管后可以被忽略。而D1 经常在曾受非常高的浪涌电压，以至于它可能会遭到损坏。因此需要一个旁路二极管D2。

BOOST 电感
在低线操作时，电感必需要能承受低线电压时的峰值电流：IHF。它能够通过最大输入功率和最小输入电压计算。

这里的K 必需选择合适，一般在15%-25%来达到最好的效率。如果选择过大，则需要过大的输入AC 滤波器来滤除输出纹波噪声。如果太小会导致电感的磁芯尺寸过大。我们这里选择K=22%。

通过电感的峰值电流：

升压电感为：

4、AC滤波器

5、 BOOST 输出电容
（1）输出线频率纹波限制

（2）维持时间

最后输出电容要比上面所计算的大。
6、电流取样电阻
      电流取样电阻的计算，需要IC 芯片过流限制的门限和升压电感的峰值电流。当电流取样信号达到了IC 芯片的过流限制门限电压。

      IC 将会减小芯片内部控制电压并且依次减少占空比。最终电流被限制。根据IC 控制器的数据表。过流控制门限在-0.66V。所以电流取样电阻为：