中間總線結(jié)構(gòu)的局限性

由于最近中間總線結(jié)構(gòu)(IBA)受到普遍重視(如圖1所示),因此很容易產(chǎn)生這樣的錯覺,即中間總線結(jié)構(gòu)將取代在PCB上提供多路電壓輸出的所有傳統(tǒng)方法。在許多特定情況下,采用IBA結(jié)構(gòu)確實會使電源解決方案的體積、效率和成本有很大改善,但在另外一些情況下,這些參數(shù)中的某項或多項卻可能變得更差。因此必須根據(jù)不同的設(shè)計情況來決定是否使用IBA,下面討論必須考慮的一些問題。

首先,要確定是否真正需要使用中間總線。在有些PCB上,電源功率水平特別高(例如500W),因此通過較高電壓(如12V)進行功率傳輸以保持低電流水平就變得十分必要。然后,在靠近負載點的地方利用非隔離變換器將電壓降到所需要的邏輯水平。但經(jīng)常發(fā)生的情況是,由于邏輯電路的敏感性或者需要將負載附近的電路板空間用于邏輯互連,從而無法將非隔離變換器放在離負載比較近的地方。隨著非隔離變換器和負載之間距離的增加,中間總線的價值也逐漸減小。在極端的情況下,如果非隔離變換器放在離總線變換器不遠的PCB邊緣,那么中間總線本身根本無法提供什么直接價值。

第二,輸入電壓的特性也影響到總線變換器的性能。對于輸入電壓波動范圍很小的系統(tǒng)(如48V±10%),總線變換器就不需要穩(wěn)壓,它只提供電氣隔離和固定的降壓比。因此,這種類型的總線變換器效率非常高,并且可以在較小的封裝內(nèi)處理較大的功率。例如,SynQor公司提供的一款1/4磚總線變換器(參看圖2)能夠以96%的效率提供12V下240W的電源功率,而且在60℃和200 LFM氣流下沒有功率降低的現(xiàn)象(請參考效率和功率降低曲線圖3和4)。但是如果輸入電壓范圍比較寬(如36V~75V),那么變換器就可能需要穩(wěn)壓功能,目前此類變換器產(chǎn)品中最好的產(chǎn)品效率仍然較低,并且其功率密度僅有SynQor總線變換器的一半左右。因此,這種情況下采用中間總線結(jié)構(gòu)的總成本就相對更高了。

第三,需要確定是購買成品的非隔離變換器模塊還是自己直接在PCB上設(shè)計所需要的非隔離變換器。對于后一種情況,材料和直接制造成本低于購買成品模塊的價格,因此似乎能夠節(jié)約相當?shù)某杀?。但?這樣做的代價是所獲得的變換器不是經(jīng)過預(yù)測試的直接可用的解決方案。為此必須投入相當?shù)墓こ藤Y源完成設(shè)計、進行器件質(zhì)量保證,同時還必須針對生產(chǎn)和現(xiàn)場使用過程中不可避免的故障現(xiàn)象進行無休止的設(shè)備和問題分析。雖然這方面的工程成本難于計算,但成本確實非?？捎^。

在決定非隔離變換器的設(shè)計時,一個有趣的問題是如何優(yōu)化中間總線電壓來獲得最佳的總體系統(tǒng)效率。隨著總線電壓從12伏降至9伏或7伏,非隔離變換器的效率可以更高,但總線變換器卻并非如此。并沒有一個適用于所有情況的最佳總線電壓存在,究竟采用什么電壓取決于特定的電壓和電源功率要求。如果購買成品非隔離模塊,優(yōu)化中間總線電壓是不可能的,因為標準產(chǎn)品要么是采用12V輸入電壓,要么就是3.3V~5V(這就有點太低了)。

第四,IBA結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)方法的價值依賴于PCB上所需要的功率/電壓水平組合情況。例如,如果需要四路輸出電壓,每路功率為40~50瓦,那么傳統(tǒng)的方法通常是采用四個隔離1/8磚變換器,而IBA方法可能需要一個1/4磚總線變換器和6個非隔離變換器(對于要求較大電流的負載,可能需要非隔離變換器并聯(lián)使用)。就目前的市場價格來看,IBA方案的成本比采用四個獨立隔離變換器的方案約低10~20%。
然而,如果四路輸出中包括兩路大功率輸出(如3.3V@30A和1.8V@40A)和兩路低功率輔助輸出(如2.5V@3A和1.5V@5A),那么傳統(tǒng)方案可能使用兩個隔離1/4磚變換器來獲得3.3V和1.8V輸出,兩個非隔離變換器利用3.3V輸出做為輸入來獲得輔助電壓輸出。這種情況下,成本優(yōu)勢正好反了過來,傳統(tǒng)方案比IBA方案成本要低10~20%左右。原因是隔離變換器價格的增加并不與功率水平成正比,因此數(shù)量少的大功率變換器成本要比多個低功率變換器低。

此外,如果真想通過自己設(shè)計非隔離變換器來節(jié)約金錢的話,那么利用上面提到的后一種情況可能更為容易,因為其中輔助電壓所需要的功率水平相對低得多。

總之,在某些情況下,IBA是一種非常有效的方法,特別是對那些要求總功率較高、輸入電壓穩(wěn)定并且需要每路功率差不多的多路輸出情況。如果自己直接在PCB上設(shè)計并制作非隔離變換器有困難,那么IBA方法更為合適。但對于目前使用的許多系統(tǒng)電源要求來說,IBA產(chǎn)品并非總是最佳的選擇。