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分布式電源架構(gòu)與分解動(dòng)力系統(tǒng)的介紹

電子設(shè)計(jì) ? 來(lái)源:郭婷 ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2019-02-06 10:37 ? 次閱讀
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通信交換機(jī)構(gòu)成了現(xiàn)代電信和數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。在過(guò)去的幾十年里,他們已經(jīng)看到了架構(gòu)的巨大變化,因?yàn)樗鼈冏兊迷絹?lái)越強(qiáng)大。

它們將高性能光學(xué)控制與基于最先進(jìn)半導(dǎo)體工藝的并行數(shù)字處理相結(jié)合。結(jié)果,系統(tǒng)需要大量的電源域,其中許多電源域提供高電流和低電壓的組合。為了適應(yīng)現(xiàn)代通信樞紐,電力系統(tǒng)需要高效。隨著電壓的降低,對(duì)效率的需求迫使能源發(fā)送到每個(gè)處理器和光收發(fā)器模塊的方式發(fā)生了變化。

最初,電信系統(tǒng)采用集中式電源架構(gòu),AC轉(zhuǎn)換為 - 48 VDC由一個(gè)前端整流器供電,一組DC/DC轉(zhuǎn)換器。大電流母線將所需電壓傳送到機(jī)柜內(nèi)的每個(gè)架子,其中包含用于切換的線卡。匯流條不僅體積龐大,價(jià)格昂貴,而且更難以對(duì)電源進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在20世紀(jì)90年代,許多電信系統(tǒng)使用的電力傳輸架構(gòu)改為分布式電源架構(gòu)。其中48 V電源被提供給位于線卡和其他計(jì)算元件的大量DC/DC轉(zhuǎn)換器。這種趨勢(shì)是由電壓的逐漸降低和電流的增加所驅(qū)動(dòng)的,以及對(duì)電源排序的更多控制,以允許模塊的熱插拔。

分布式電源架構(gòu)是在假定存在的情況下設(shè)計(jì)的。每塊板通常只有一個(gè)或兩個(gè)不同的負(fù)載電壓。對(duì)于大多數(shù)48 V系統(tǒng),需要在較高的配電電壓和目標(biāo)電壓之間提供隔離。隔離的轉(zhuǎn)換器往往比它們的非隔離等效物更大且更昂貴。隔離階段需要變壓器,而大多數(shù)非隔離設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)單地使用電感器。此外,轉(zhuǎn)換器的PCB設(shè)計(jì)更復(fù)雜,因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換器電路需要提供準(zhǔn)確控制的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間的控制信號(hào)之間需要隔離屏障。

然而,即使是分布式電源架構(gòu)限制了可支持的電源軌數(shù)量的靈活性。利用隔離轉(zhuǎn)換器提供兩個(gè)以上的輸出電壓需要大量空間并且迅速變得昂貴。用于光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高密度現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)和處理器通常具有復(fù)雜的功率要求,涉及大量低壓供電軌。例如,高密度FPGA上使用的串行收發(fā)器對(duì)核心結(jié)構(gòu)使用的串行收發(fā)器有不同的要求,可能與用于通用I/O的要求不同。

分布式電源架構(gòu)與分解動(dòng)力系統(tǒng)的介紹

圖1:分布式電源和中間總線架構(gòu)。

解決該問(wèn)題的一種方法是使用級(jí)聯(lián)電源轉(zhuǎn)換器,使用48 V至5 V模塊為一組非隔離降壓穩(wěn)壓器供電并降低產(chǎn)生所需電壓的壓差調(diào)節(jié)器(LDO)。通過(guò)采用中間總線架構(gòu)(IBA),這種方法已經(jīng)形成,該架構(gòu)允許使用更好地調(diào)整整體效率的電壓軌。

IBA引入了另一層DC/DC轉(zhuǎn)換器可以靠近每個(gè)負(fù)載放置。在許多系統(tǒng)中,基于IBA的電源系統(tǒng)包括一個(gè)前端AC/DC電源,典型輸出為24 V或-48 V.該電壓提供給中間總線轉(zhuǎn)換器,該轉(zhuǎn)換器提供隔離和轉(zhuǎn)換為較低的 - 電平中間總線電壓,通常在5 V至14 V范圍內(nèi)。 12 V導(dǎo)軌是常見(jiàn)的選擇。該中間總線電壓提供給非隔離負(fù)載點(diǎn)(POL)穩(wěn)壓器,為各種數(shù)字和模擬電子模塊提供高質(zhì)量電壓,工作電壓范圍為0.5至5 V.

IBA降低了系統(tǒng)成本,因?yàn)樗鼫p少了所需的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)量;消除隔離的需要降低了POL調(diào)節(jié)器的復(fù)雜性和成本。相反,由于POL調(diào)節(jié)器向目標(biāo)設(shè)備提供精確的調(diào)節(jié)電壓,因此對(duì)中間總線轉(zhuǎn)換器的調(diào)節(jié)約束可以顯著降低。由于POL穩(wěn)壓器安裝在非??拷繕?biāo)器件的位置,因此調(diào)節(jié)質(zhì)量更高,并降低了在低電壓下提供高電流所帶來(lái)的損耗。中間轉(zhuǎn)換器通常也可以承受從AC/DC電源到其DC輸入的適度變化,這可以節(jié)省前端整流器的成本。

較舊的電源設(shè)計(jì)傾向于提供峰值功率下的最高效率。但是,這并不反映許多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常使用。大多數(shù)將具有不同的活動(dòng)水平,并且還將指定其電力系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)高峰值水平,但將花費(fèi)大部分時(shí)間在滿(mǎn)負(fù)荷下運(yùn)行。此外,使用N + 1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)提供冗余意味著如果其中一個(gè)轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障,功率轉(zhuǎn)換器將僅接近峰值電平。因此,中間總線轉(zhuǎn)換器被設(shè)計(jì)為在較低負(fù)載下提供更好的效率,通常低至最大輸出的三分之一或四分之一。

CUI的NQB-D和NQB-N系列完全調(diào)節(jié)的中間體總線轉(zhuǎn)換器在半負(fù)載時(shí)提供96.4%的效率。每個(gè)轉(zhuǎn)換器都使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的四分之一磚形狀因子,以提供高達(dá)每平方英寸140 W的功率密度。這些轉(zhuǎn)換器具有高達(dá)2250 VDC的輸入至輸出隔離。

GE Critical Power的Barracuda系列DC/DC轉(zhuǎn)換器旨在支持中間總線架構(gòu),提供對(duì)其12 VDC輸出的完全調(diào)節(jié)。例如,QBVW033A0B的輸入電壓范圍為36至75 VDC,輸出電流高達(dá)33 A.它采用標(biāo)準(zhǔn)的四分之一磚外形,并使用同步整流來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)超過(guò)96%的效率,即使是最大電流的三分之一。新型封裝和設(shè)計(jì)效率使得電源可以在沒(méi)有散熱器的情況下在許多應(yīng)用中使用。

Power-One QME48T20120設(shè)計(jì)用于在低電感電源總線上提供無(wú)輸出電容的穩(wěn)定性,可提供高達(dá)20 A的電流。 48 V輸入時(shí)為12 V.它采用四分之一磚單元,可提供高達(dá)2 kV的隔離,無(wú)需散熱器即可使用,以減少對(duì)系統(tǒng)氣流的影響。其設(shè)計(jì)可將滿(mǎn)負(fù)荷的四分之一提高到一半。另一種可能性是TDK Lambda的Asceta iQG電源模塊。這也基于四分之一磚外形,效率高達(dá)96%,可提供高達(dá)33 A的電流。

向IBA的轉(zhuǎn)變?yōu)殡娫崔D(zhuǎn)換電路的創(chuàng)新提供了機(jī)會(huì)。根據(jù)輸入電壓范圍和電子系統(tǒng)的電壓要求,中間總線電壓還有其他可能的選擇,而不是12 VDC。當(dāng)然,對(duì)于最佳提供良好電壓調(diào)節(jié)的決策存在潛在的權(quán)衡。

處理器和內(nèi)存子系統(tǒng)中電壓水平的持續(xù)下降推動(dòng)了Vicor推出的分解功率架構(gòu)。它采用了不同的中間總線架構(gòu)方法,利用減少中間總線本身的調(diào)節(jié)量。

分布式電源架構(gòu)與分解動(dòng)力系統(tǒng)的介紹

圖2:分解動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

分解動(dòng)力系統(tǒng)旨在最大限度地提高輕載條件下的效率,并在峰值條件下保持效率。使用此策略,總線轉(zhuǎn)換器模塊取代了12 V輸出磚。雖然某些型號(hào)提供12 V輸出,但它們可提供高達(dá)48 V的輸出電壓,以利用減少的損耗,并使用380 VDC輸入工作。這些模塊設(shè)計(jì)為使用類(lèi)似于多相功率轉(zhuǎn)換器中的相位脫落的機(jī)制并行操作。在輕載條件下,一個(gè)或多個(gè)總線轉(zhuǎn)換器模塊將關(guān)閉而不是以低效率運(yùn)行。

提供從48 V降至1 V或更低功率以降低功率的能力 - 邊緣處理器和FPGA,POL轉(zhuǎn)換器分為兩部分。 “分解”這個(gè)名稱(chēng)來(lái)自決定在POL部分中分離電壓調(diào)節(jié)和電壓轉(zhuǎn)換的作用。隔離向下游移動(dòng)到電壓轉(zhuǎn)換模塊(VTM),該模塊設(shè)計(jì)用于將直接上游預(yù)調(diào)節(jié)器模塊(PRM)提供的-48 VDC調(diào)節(jié)電壓轉(zhuǎn)換為目標(biāo)電壓。由于VTM設(shè)計(jì)用于以固定比率轉(zhuǎn)換電壓,因此PRM對(duì)調(diào)節(jié)命令作出反應(yīng),調(diào)節(jié)其輸出電壓以滿(mǎn)足VTM的要求。該架構(gòu)允許使用兩種不同的功率轉(zhuǎn)換拓?fù)?,針?duì)特定轉(zhuǎn)換器的需求,提供電壓轉(zhuǎn)換和隔離或調(diào)節(jié)。

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