作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

電動(dòng)汽車(chē) (EV) 電源傳輸網(wǎng)絡(luò) (PDN) 正在發(fā)生迅速變化。如 12 V 鉛酸電池等傳統(tǒng)電源正在被 48 V 或更高電壓的電源取代。與此同時(shí)，許多電機(jī)、泵、傳感器和執(zhí)行器仍在傳統(tǒng)電壓水平下運(yùn)行。因此，必須有效地降低較高一級(jí)的電壓，并將其分配給這些不同的負(fù)載。為了在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的同時(shí)最大限度地減少電阻壓降和相關(guān)的功率損耗，電源系統(tǒng)架構(gòu)師正將電源系統(tǒng)架構(gòu)從集中方法（在電源附近安裝大型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)向分散架構(gòu)（將高壓分配到每個(gè)低壓負(fù)載附近的功率轉(zhuǎn)換器）。

這種分散式 PDN 需要功率密度高、效率最優(yōu)、占地面積小的輕型電源。雖然使用傳統(tǒng)的分立元件自行設(shè)計(jì)這些轉(zhuǎn)換器對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)說(shuō)很有誘惑力，但也是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

還有一個(gè)更好的選擇：來(lái)自設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富的供應(yīng)商提供的現(xiàn)成模塊化器件，以及滿足諸如輸入電壓范圍、輸出電壓、功率、密度和效率等 PDN 要求的各種不同的解決方案。

本文將討論現(xiàn)代 PDN 的需求和典型的電源要求。本文還將以 [Vicor] 的模塊化電源解決方案為例進(jìn)行介紹，并展示如何將其應(yīng)用于高性能和高性價(jià)比 PDN。

PDN 的演變

電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)要求有最大續(xù)航里程和最短的充電時(shí)間，同時(shí)還要為駕駛員和乘客提供全方位的服務(wù)。這些要求的重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)高效、輕便。因此，汽車(chē)制造商正在從集中式 PDN 架構(gòu)向分散式分區(qū)架構(gòu)過(guò)渡（圖 1）。

[]圖 1：集中式架構(gòu)將電源電壓轉(zhuǎn)換為接近電源的 12 V 負(fù)載電壓，并將其分配到整個(gè)車(chē)內(nèi)；分散式分區(qū)結(jié)構(gòu)將電源電壓分配到本地 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，并有轉(zhuǎn)換器將電壓降至盡可能靠近負(fù)載的 12 V。（圖片來(lái)源：Vicor）

集中式架構(gòu)通過(guò)一個(gè)“銀箱”將 48 V 電源轉(zhuǎn)換為 12 V。其中，銀箱是一種采用老式低頻脈寬調(diào)制 (PWM) 開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的大型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。然后，由“銀箱”以 12 V 電壓輸出電能。在負(fù)載輸入功率已知的情況下，12 V 電壓下的電流是 48 V 電壓下電流的四倍。這意味著電阻功率損耗高出 16 倍，因電阻的功率與電流的平方成正比。

另一方面，分區(qū)式架構(gòu)將 48 V 電源分配到各個(gè)分區(qū)，由更小、效率更高的 48 V 至 12 V DC/DC 轉(zhuǎn)換器為負(fù)載供電。較低的電流水平需要較小的導(dǎo)體和連接器橫截面，從而使線束成本更低，重量更輕。本地轉(zhuǎn)換器的位置更靠近負(fù)載，以盡量減少 12 V 電源線的長(zhǎng)度。

在分區(qū)式系統(tǒng)中，熱源廣泛分布在車(chē)輛的各個(gè)區(qū)域，而不是集中在熱源附近。這就改善了整體散熱性能，使每個(gè)轉(zhuǎn)換器都能在較低溫度環(huán)境中運(yùn)行。因此，實(shí)現(xiàn)了更高的效率和可靠性。

設(shè)計(jì) PDN 電源

雖然可以使用分立元件創(chuàng)建定制型 PDN 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，但電源設(shè)計(jì)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。很少工程師能擁有滿足應(yīng)用和監(jiān)管要求所需的技能或經(jīng)驗(yàn)。模塊化方法是一種更簡(jiǎn)單、更好的選擇。

模塊化 PDN 設(shè)計(jì)取決于電源模塊庫(kù)存的供貨能力，這種模塊具有各種電源相關(guān)功能，從而可實(shí)現(xiàn)靈活且可擴(kuò)展的架構(gòu)（圖 2）。

[]圖 2：模塊化 PDN 設(shè)計(jì)依賴(lài)于擁有多種解決方案的供應(yīng)商，以確保靈活性和可擴(kuò)展性。（圖片來(lái)源：Vicor）

基本的分區(qū)式 PDN 架構(gòu)（左上）將 48 V 電源分配給本地 DC/DC 模塊化轉(zhuǎn)換器，將電壓降至所需水平。如果負(fù)載要求發(fā)生變化，只需升級(jí)到額定功率更高的模塊即可（中上）。增加一個(gè)新負(fù)載只需增加一個(gè)模塊轉(zhuǎn)換器（右上）。無(wú)需更改源配置。

只需對(duì)分比式架構(gòu)稍作改動(dòng)，就能減少電源軌損耗（左下）。因分比式架構(gòu)將功率調(diào)節(jié)和電壓/電流轉(zhuǎn)換分成兩個(gè)獨(dú)立的模塊。預(yù)調(diào)節(jié)模塊 (PRM) 管理電壓的調(diào)節(jié)功能。通過(guò)檢測(cè)分比式總線電流來(lái)調(diào)節(jié)電源軌輸出電壓。電壓轉(zhuǎn)換模塊 (VTM) 的作用類(lèi)似于 DC 變壓器，用于管理電壓降低/電流倍增。VTM 比完整的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊更小，可以置于更靠近負(fù)載的位置，從而減少電阻損耗。此外，由于其輸出阻抗較低，因此需要較小的輸出電容器。這意味著較小的陶瓷電容器可以取代負(fù)載附近較大的大容量電容器。

通過(guò)并聯(lián)多個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊（中下），可滿足更大的功率需求。通過(guò)增加一個(gè)固定比率降壓模塊和一個(gè)總線轉(zhuǎn)換器模塊 (BCM)，將源電壓降至安全的超低電壓 (SELV) 總線水平（右下），就可以升級(jí)至更高的電壓源，如 400 V 或 800 V。請(qǐng)注意，SELV 總線是一項(xiàng)安全標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了電氣設(shè)備的最高電壓極限值，以確保安全，防止電擊。SELV 電壓水平一般低于 53 V。

通過(guò)這些示例，我們可以了解分區(qū)架構(gòu)的靈活性和可擴(kuò)展性。Vicor 在其 DCM 系列中提供了各種不同的轉(zhuǎn)換器模塊，以適應(yīng)這些不同的到應(yīng)用。該公司率先在電源模塊設(shè)計(jì)方面取得了多項(xiàng)革命性的進(jìn)展，包括轉(zhuǎn)換器封裝 (ChiP) 和 Vicor 集成適配器 (VIA) 封裝（圖 3）。

[]圖 3：DCM 系列的 ChiP 和 VIA 物理配置示例。（圖片來(lái)源：Vicor）

與早期的封裝配置相比，這些封裝將功率密度提高了 4 倍，將功率損耗降低了 20%。ChiP 使用通過(guò)高密度基板安裝的磁性結(jié)構(gòu)。其他元件采用雙面布局安裝，以提高功率密度。元件在封裝內(nèi)采用對(duì)稱(chēng)布局，可增強(qiáng)散熱性能。這種先進(jìn)的布局，加上經(jīng)過(guò)優(yōu)化的模具復(fù)合材料，改善了散熱路徑。ChiP 模塊的頂部和底部表面熱阻較低?？梢允褂门c頂部和底部表面以及通過(guò)電氣連接進(jìn)行熱耦合的散熱片來(lái)加強(qiáng)冷卻。VIA 模塊在基本的“轉(zhuǎn)型”結(jié)構(gòu)元件上增加了集成電磁干擾 (EMI) 濾波、更好的輸出電壓調(diào)節(jié)和二次控制接口。

DCM 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊示例

例如，DCM 系列就屬于一種通用型穩(wěn)壓、隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器采用非穩(wěn)壓寬電壓范圍源作為輸入，提供最高可達(dá) 1300 W 的穩(wěn)壓型功率輸出，其輸出電流最高可達(dá) 46.43 A。該器件在輸入和輸出之間提供高達(dá) 4,242 V 的直流隔離。隔離指的是電隔離，即沒(méi)有在輸入和輸出之間直接流動(dòng)的電流。按照安全標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，如果輸入電壓可能對(duì)人體有害，就需要采用這種隔離。如果輸出相對(duì)于輸入浮動(dòng)，還允許輸出極性反轉(zhuǎn)或偏移。

DCM 系列采用零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 拓?fù)?，通過(guò)軟開(kāi)關(guān)功率器件，降低了傳統(tǒng) PWM 轉(zhuǎn)換器中常見(jiàn)的高導(dǎo)通損耗。ZVS 可以在更高的頻率和輸入電壓下運(yùn)行，而不會(huì)降低效率。這種轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率為從 500 kHz 到接近 1 MHz 不等。使用這種高開(kāi)關(guān)頻率還能減小相關(guān)的磁性和電容儲(chǔ)能元件的大小，從而提高功率密度。功率密度和效率可分別達(dá)到 1244 W/in. ^3^ ）和 96%。

DCM 系列包括三種封裝尺寸：DCM2322、DCM3623 和 DCM4623，具有重疊的輸入電壓范圍和輸出功率水平（圖 4）。

圖 4：所示為 DCM 系列 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電氣特性匯總圖，其中包括輸入和輸出電壓范圍。（圖片來(lái)源：Vicor）

這三個(gè)系列轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為 9 V 至 420 V，SELV 輸出的直流電壓步進(jìn)范圍為 3 V 至 52.8 V。輸出電壓極限值可在額定輸出電壓的 -40% 至 +10% 范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào)。無(wú)論輸出電壓設(shè)置如何，輸出都具有完全工作電流限制，以最大平均輸出功率為基礎(chǔ)，確保轉(zhuǎn)換器在安全范圍內(nèi)工作。

DCM 系列包括輸入欠壓和/或過(guò)壓、過(guò)熱、輸出過(guò)壓、輸出過(guò)流和輸出短路等故障保護(hù)。

表 1 列出了幾種 DCM 產(chǎn)品，包括所有三種封裝尺寸以及一系列輸入電壓和最大功率范圍。

| | 型號(hào) | 輸出電壓 | 最大輸出電流 | 最大輸出功率 | 輸入電壓范圍 | 最高效率 | 尺寸 | 功率密度 | 單位陣列模式 # |
| ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ | ---------- | -------------- | -------------- | ---------------- | ---------- | --------------------------------------------------------- | ------------- | ---------------- |
| [DCM2322T50T2660T60] | 24 V | 2.5 A | 60 W | 9 V 至 50 V | 88.7% | 0.978" x 0.898" x 0.284"
[24.84 mm x 22.8 mm x 7.21 mm] | 241 W/in.3 | 8 |
| [DCM2322TA5N13A2T60] | 12 V | 10 A | 120 W | 43 V 至 154 V | 91.4% | 0.978" x 0.898" x 0.284"
[24.84 mm x 22.8 mm x 7.21 mm] | 481 W/in.3 | 8 |
| [DCM3623T75H06A6T00] | 5 V | 32 A | 160 W | 36 V 至 75 V | 91.2% | 1.524" x 0.898" x 0.284" [38.72 mm x 22.8 mm x 7.21 mm] | 412 W/in.3 | 8 |
| [DCM3623TA5N31B4T70] | 28 V | 8.6 A | 240 W | 43 V 至 154 V | 92.7% | 1.524" x 0.898" x 0.284" [38.72 mm x 22.8 mm x 7.21 mm] | 653 W/in.3 | 不適用 |
| [MDCM270P050M250A40] | 5 V | 50 A | 250 W | 160 V 至 420 V | 91.1% | 1.886" x 0.898" x 0.284" [47.91 mm x 22.8 mm x 7.21 mm] | 520 W/in.3 | 8 |

表 1：常用 DCM 轉(zhuǎn)換器的特性說(shuō)明了可滿足各種應(yīng)用要求的輸入電壓、輸出電壓和功率水平的范圍。（表來(lái)源：Art Pini）

下表總結(jié)了每個(gè) DCM 轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)并給出了這些器件的外形尺寸。這只是眾多現(xiàn)有 DCM 型號(hào)中的一小部分。

典型應(yīng)用

DCM 轉(zhuǎn)換器可以單獨(dú)使用，且大多數(shù)也可以并聯(lián)使用。單獨(dú)使用時(shí)，輸出可向多個(gè)負(fù)載供電，包括非隔離式負(fù)載點(diǎn) (POL) 穩(wěn)壓器（圖 5）。

[]圖 5：所示為 DCM3623T75H06A6T00 驅(qū)動(dòng)直接負(fù)載和非隔離式 POL 穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用。（圖片來(lái)源：Vicor）

電路簡(jiǎn)單明了。元件 L1、C1、R4、C4 和 Cy 構(gòu)成輸入 EMI 濾波器。輸出電容器 COut-Ext 與 ROut-Ext 用于實(shí)現(xiàn)控制回路的穩(wěn)定性。電阻器可以是電容器的有效串聯(lián)電阻 (ESR)，其值約為 10 mΩ。電容器的位置必須靠近轉(zhuǎn)換器的輸出引腳。R dm 、L b 、~ L2~~ 和 C2~ 組成了差模輸出濾波器。濾波器的截止頻率設(shè)定為開(kāi)關(guān)頻率的十分之一。

大多數(shù) DCM 轉(zhuǎn)換器可以并聯(lián)輸出運(yùn)行（陣列模式）。通過(guò)合并多達(dá)八個(gè)模塊的輸出，可增加向負(fù)載提供的功率輸出（圖 6）。

[]圖 6：所示電路為四個(gè) DCM 轉(zhuǎn)換器采用并聯(lián)陣列驅(qū)動(dòng)一個(gè)公共負(fù)載。（圖片來(lái)源：Vicor）

外部元件的功能與示例中的單獨(dú)轉(zhuǎn)換器相同。在陣列模式下，每個(gè) DCM 模塊都必須在串聯(lián)電感之前具有最小的輸出電容值，而且必須更靠近單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器而不是輸出結(jié)點(diǎn)。在所有“N”個(gè) DCM 模塊同時(shí)啟動(dòng)的陣列中，輸出電容的最大值可能達(dá)到 N 倍 C out-Ext 。此外，還要求電源阻抗小于 DCM 陣列輸入阻抗的二分之一，以確保穩(wěn)定性并盡量減少振鈴。

結(jié)束語(yǔ)

車(chē)輛和電動(dòng)汽車(chē)等應(yīng)用正從集中式向分散式 PDN 架構(gòu)轉(zhuǎn)變。使用分立元件設(shè)計(jì)滿足相關(guān)效率、功率密度和重量要求所需的 DC/DC 換器極具挑戰(zhàn)性。相反，Vicor 的 DCM 系列模塊化電源解決方案可以讓設(shè)計(jì)人員減少時(shí)間和成本。如圖所示，這些模塊處于 ChiP 和 VIA 等先進(jìn)封裝的最前沿，創(chuàng)新型 ZVS 拓?fù)渚哂锌蓴U(kuò)展性和多功能性，可滿足各種不同的應(yīng)用需求。