摘要

在配電系統中，中間總線的使用是在損耗和實用性之間實現最佳折衷的一個方式。隨著功率轉換和半導體技術的進步，最“理想”的總線電壓多年以來一直在不斷變化中。我們將在本文中討論其中的一些限制和考慮因素。

最常見的電源轉換功能是從交流（AC）市電轉換到低壓直流（DC）電壓。隨著應用設備功率水平的提高，例如在AI和云計算硬件領域中所見的情況，輸入和輸出之間電壓的差距不斷擴大。最大的工業或數據中心系統可能具有400V三相AC輸入電壓，以及最終低于1V的DC輸出電壓，用于支持處理器或類似的復雜IC。如何高效地進行這類轉換，至少從20世紀80年代以來一直是一大話題。多年來，各式技巧不斷涌現又消失，而功率水平和技術已發生改變和演進。

在端到端功率轉換中有著多種選擇

的確，首先得將AC輸入進行整流，以滿足必須執行的功率因數校正和“通用”AC輸入的需求，接著會產生例如400V左右的DC電壓軌，用于單相供電。接下來的挑戰是在最小的傳輸與轉換損耗下，將其轉換為應用電壓。不過也有其他因素需要考慮，必須為任何60V以上的電壓提供安全隔離，必須控制電磁干擾（EMI）水平，線纜和轉換器成本必須最小化，端電壓必須準確，而且有時需可調整。由于使用的轉換器必須緊湊，以便在接近負載的同時又能充分冷卻，功率密度越來越重要。首選的解決方案是生成一個或多個中間總線，以在較高電壓下進行配電，此情況下給定功率的歐姆損耗較小，例如，48V的歐姆損耗比12V低16倍，因為電流為四分之一。隨后，通過更多的“負載點”（PoL）DC-DC轉換器、電壓調節器模塊（VRM）或越來越多的集成功率級（IPS），將所謂的智能功率級與必要的輸出電感器和附加組件結合在一起，向下轉換為最終電壓。現在需要做出一些選擇了——什么樣的總線電壓是最佳的，哪些階段需要隔離，哪些階段需要穩壓？

圖：穩壓、隔離和總線電壓的一些選擇

生成第一軌上的總線電壓的初始AC-DC級必須被隔離，以滿足安全標準。但在這之后，如果電壓低于60V，則隔離是出于功能原因，用于斷開接地回路、緩解EMI問題并提供一種通過變壓器匝數以大比率降低電壓的方法。因此，48V及其容差范圍是一個很好的選擇，也是適合使用備用電池的電壓軌。在系統板上，過去的PoL轉換器只有在輸入/輸出電壓差較低且輸入范圍較窄的情況下才具有可接受的效率，因此通常會使用4:1的中間總線轉換器（IBC），它具有從48V隔離轉變出穩壓12V，為PoL供電，而PoL在當時的輸出需求可能僅為5V或3.3V。然而，這種IBC的效率有限，但由于48V輸入相對穩定，它不需要穩壓，所以在當時大受歡迎。只要PoL能夠接受一定的輸入電壓變化，IBC就可以變成一個簡單的固定“比率轉換器”，這樣效率更高，在動態性能方面也有一些好處。某些方案，如Flex Power Modules的BMR492，具有“混合穩壓比率”，保持固定比率直到一定輸入電壓下，然后切入穩壓操作，以限制總輸出電壓變化，同時保持較高的總效率。類似地，如果忽略隔離操作，高效“開關電容器”電路可以用作IBC，例如Flex Power Modules的BMR310，但它再次被限制為固定比率，在此情況下，該比率必須是整數（4:1）。或者，像Flex Power Modules的BMR313/314這樣的非隔離和非穩壓式部件，使用其“諧振DC變壓器（DCX）”拓撲結構，可以在1kW額定功率下以4:1的轉換比實現97%以上的效率。

PoL轉換器具有更寬的輸入范圍的和降壓比，效率越來越高

萬幸的是，PoL拓撲和半導體開關技術的進步，使得它們更加高效，擁有更寬的輸入范圍，和達到低于1V水平的高降壓比，因此系統設計者現在有了更廣泛的選擇。例如，輸入范圍為40–60VDC的IBC可以輸出10–15VDC（4:1）；8–12VDC（5:1）；6.7–10VDC（6:1）；5–7.5VDC（8:1）或4–6VDC（10:1）。IBC電壓越高，電流越小，PCB布局越簡單，但更低的IBC電壓可以使下游PoL、VRM或IPS的運行效率更高。可以使用輸入范圍來做出這些選擇，以匹配在給定負載下表現出最佳效率的產品。舉例來說，可以將8:1 400W Flex BMR320和即將推出的的FLEX BMR515 16相IPS配對使用，該IPS針對4.5–7.5V輸入進行了優化。這個搭配可以在0.5–0.9V的電壓下向GPU提供高達670A的電流，并且能夠在短時間內提供峰值電流。

隨著終端負載功耗的進一步增加，可以使用一些技巧來維持高效。例如，多相PoL降壓轉換器可以在更寬的負載范圍內擁有優化的效率，而功耗特別高的終端設備可以有自己的“功率島”，該島上設有專用的兩級中間總線，為實現最佳效率量身定制。PoL的效率也可以通過僅需要最小額定電壓的MOSFET開關來優化，因為在所有條件相同的情況下，使用較低額定電壓的設備可以使導通電阻自然降低。MOSFET制造商們已經認識到這一現象，并越來越多地提供15V設備，這些設備可與低總線電壓匹配使用。不僅于此，它們能夠在較高的頻率下切換，以減少電感器和電容器的尺寸和內部損耗。如此一來可以釋放PCB面積，以便使用具有自身效率增益的多相PoL。

為了獲得最佳的整體系統效率，需要全局視角

在某些特定場景下，對效率和所需性能的分析表明，從48V到低至0.5V輸出的“直接轉換”可以產生比IBC和PoL的組合更高的效率、更低的系統規模和成本。Flex Power Modules的BMR481/2就是很好的例子。

Flex Power Modules的最新技術進步拓寬了系統設計者們的選擇范疇。他們現在可以從“整體”系統視角來在合適的位置選擇是否需要隔離和穩壓，以實現最佳整體效率和功能。

審核編輯 ：李倩