应用笔记 AN:001 利用Vicor的母线转换模块(BCM)配置低功率非隔离负载点转换器(niPOL) 原著 : Vicor应用工程部 引言 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 内容 页 引言 1 摘要 2 首先我们将比较分布式电源架构及中转母线架构(以简称IBA)的分别。 总结 5 图1显示一个典型48V母线供电给DC-DC转换器的分布式电源架构。依据不同的应用，这种分 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 的电源系统(更高功率可以多个BCM并联)。 布电源系统有某些缺点。 多个隔离式的DC-DC转换器其实重复了隔离的功能，并在线路板上占据大量空间。如使用 niPOL作为转换48V至5V或更低电压，它们的效率一般只有70%或左右. 而图2则显示一个48V母线的IBA。如图中所示是Vicor的48V转12V(K=1/4)的BCM。而K=1/4 是指BCM的电压转换比率或固定比率。 此IBA的架构就比图1的48V分布式架构带来多个优点，但这些优点仍取决于实际的应用。 图1 典型分布式功率架构 48 V 负载1 48V背板 48 V 隔离式DC-DC 转换器 +3.3 V 48 V 隔离式DC-DC 转换器 +5 V 48 V 隔离式DC-DC 转换器 +12 V 48 V 隔离式DC-DC 转换器 1.2 V 图2 典型中转母线架构 负载2 负载3 负载4 负载5 负载1 48V背板 +In TM RSV PC -Out BCM +Out -In niPOL +Out -Out +3.3 V +5 V niPOL Unregulated +12 V 1.2 V niPOL vicor-china.com 负载2 12 V +852-2956-1782 负载3 负载4 负载5 Rev. 1 7/2006 1/5 应用笔记 AN:001 在中转母线架构中, niPOL是在先前受高比率电压转换以求成本效益。它们依赖就近的母线转 换器提供低压而隔离的功率。 48V转12V(K=1/4)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48V安全地隔 离并且可闲置更多空间给负载点处。 而系统设计师则需考虑BCM的最低输入电压及niPOL的负阻抗特性，从而可决定BCM可供电 到niPOL的数目。这些事项是必须注意及考虑，避免在始动时或输入电压最低时，使BCM进 入限流。 摘要 IBA是把一个DC-DC转换器的隔离(isolation)，转压(transformation)及稳压(regulation)分开并 分配至两个元件里。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。 由于BCM不需稳压，但提供固定比率输出电压，BCM可以有超过95%的效率。所以比较使用 每个都带隔离的砖式模块方案，可在IBA系统中免除多个隔离层面而只需占用较少的板面。 图3 以38-55Vdc输入范围的 BCM, 其相对输出范围是 9.5-13.7Vdc Vo = 9.5 - 13.7 V +In +Out -Out 48 Vin (38 - 55 Vdc) TM RSV PC BCM +Out -In -Out niPOL 1 niPOL 2 niPOL 3 负载 1 负载 2 负载 3 niPOL的细少规格及以垂直安装以使用细小的板面空间, 及更有效利用吹风冷却, 正好补充了今 天的高功率密度的封装设计。niPOL可以安置在较接近负载，可以更有效处理快速的负载瞬 态。而更可以避免被板上其他电路的噪声耦合。 只要小心考虑;可以透过分布niPOL及其负载的分间, 便可按制定的起动次序至每段电路或负 载。另外因再没有多个电压在板上游走, 电路板可使用较少层数。BCM与生俱来支持均流, 不 需外加控制电路或复习连线便可并联工作。 vicor-china.com +852-2956-1782 Rev. 1 7/2006 2/5 应用笔记 AN:001 BCM的功率转换是使用到崭新的正弦振幅转换技术(Sine Amplitude Conversion，SAC)，可容 易使BCM实现高效率，更高功率密度达1,095W/in 3(而1/4砖模块只达168W/in 3)，及更快负载 瞬变响应。详细BCM参数表可在Vicor网站下载。 右图比较Vicor的BCM和一个 典型开框1/4砖模块 更快负载瞬变响应代表更少的下游能量储存需求。而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1/2CV 2，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。 透过测试不同厂商制造的多个niPOL，比较它们在加上原厂建议的电容值，和以有效电容值反 馈到BCM的输入端时的表现来显示BCM的电容倍增特性和负载瞬变响应表现。图6-9显示测 试结果。而图4及图5定义出测试组合及条件。 图4 测试组合1，加上原厂建议 680μF电容到niPOL输入 测试板 输入电容, C 12 Vdc 供电源 niPOL 负载及示波器 图5 测试组合2，使用BCM及 加47μF输入电容 测试板 48 Vdc 供电源 12 Vdc BCM 47 μF niPOL 负载及示波器 示波图所显示的是测试C&D/Celestica Technologies S151-1220330-BB niPOL的负载瞬变响 应及输出纹波。负载瞬变是由额定电流以0.5A/μS的速率由10%跳到90%(1.5A至13.5A)。而 输出纹波是加上330μF输出电容及满载(15A)时测出。 vicor-china.com +852-2956-1782 Rev. 1 7/2006 3/5 应用笔记 AN:001 从各示波图所见，两个测试组合得出的负载瞬变响应和纹波结果是差不多一致。由此可证，用 更少的电容加在BCM输入端是可以代替niPOL原厂建议的输入大电容。而其性能不被衰减。两 个测试组合都定义好线路板上从板边至niPOL的电路阻抗。如电路阻抗增加时便需要在niPOL 的输入端加上更多的输入电容。但因BCM的带电容倍增的特性，以47µF输入电容加在K=1/4的 BCM上可有效相等于752µF的输出电容。 因不同应用，电路板上的电路阻抗至niPOL是不同的，因此在减少系统上的电容情况下必须测 试评估。niPOL的输入电容可被有效源阻抗代替来考虑，而有效源阻抗则包含四个参数，已减 少的有效电容、电路板阻抗、BCM输出阻抗以及BCM输入电容所反馈到其输出的电容值。 图6 测试组合1的负载瞬变响应 上: niPOL输出 下: 负载电流 图7 测试组合2的负载瞬变响应 上: niPOL输出 下: 负载电流 图8 niPOL加上330μF输出电容在测 试组合1的输出纹波 图9 niPOL加上330μF输出电容在 测试组合2的输出纹波 vicor-china.com +852-2956-1782 Rev. 1 7/2006 4/5 应用笔记 AN:001 总结 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VicorBCM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/K 2乘上BCM的输出电容(即niPOL的输入)的 效果相同，至800kHz。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。 另一要项是，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。 当然，在任何带动态负载的电源设计，电路板的排线及电路阻抗也须考虑。任何在BCM输出 至niPOL的输入的电路电感都会直接影响其响应表现。而保持BCM的输入阻抗越低越好。因这 可对负载电流瞬变作出快速响应亦同样重要。 供应商 型号 安装方式 输出范围 /电流 National LM2676-Adj 穿孔/表贴分立元件 1.2 – 37 @ 3 A max National LM2678-Adj 穿孔/表贴分立元件 1.2 – 37 @ 5 A max C&D S151-122033-BB 穿孔 3.3 @ 15 A C&D LSM-1.8/10-D12 表面贴装 1.8 @ 10 A C&D LSN-1.8/10-D12 穿孔 1.8 @ 10 A C&D NEF-0100181BO 穿孔 1.8 @ 10 A Artesyn PTH12010WAS 表面贴装 1.2 – 5 @ 12 A Tyco NXA025ADJ 穿孔 0.8 – 5 @ 25 A TI PTH12010 穿孔 1.2 – 5.5 @ 12 A TI PTH12050 穿孔 1.2 – 5.5 @ 6 A TI PTH12060 穿孔 1.2 – 5.5 @ 10 A 以上表列中的niPOL都以相同测试组合所测试。 如想获得测试结果，可联络Vicor应用工程部。 vicor-china.com +852-2956-1782 Rev. 1 7/2006 5/5