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(cuò)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(shí)會(huì)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(xiàng)或多項(xiàng)卻可能變得更差。因此必須根據(jù)不同的設(shè)計(jì)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(jìn)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(fù)載點(diǎn)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(fù)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(fù)載比較近的地方。隨著非隔離變換器和負(fù)載之間距離的增加,中間總線的價(jià)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(yuǎn)的PCB邊緣,那么中間總線本身根本無法提供什么直接價(jià)值。

第二,輸入電壓的特性也影響到總線變換器的性能。對(duì)于輸入電壓波動(dòng)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(qǐng)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(duì)更高了。

第三,需要確定是購(gòu)買成品的非隔離變換器模塊還是自己直接在PCB上設(shè)計(jì)所需要的非隔離變換器。對(duì)于后一種情況,材料和直接制造成本低于購(gòu)買成品模塊的價(jià)格,因此似乎能夠節(jié)約相當(dāng)?shù)某杀?。但?這樣做的代價(jià)是所獲得的變換器不是經(jīng)過預(yù)測(cè)試的直接可用的解決方案。為此必須投入相當(dāng)?shù)墓こ藤Y源完成設(shè)計(jì)、進(jìn)行器件質(zhì)量保證,同時(shí)還必須針對(duì)生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)使用過程中不可避免的故障現(xiàn)象進(jìn)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(jì)算,但成本確實(shí)非?？捎^。

在決定非隔離變換器的設(shè)計(jì)時(shí),一個(gè)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(gè)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(gòu)買成品非隔離模塊,優(yōu)化中間總線電壓是不可能的,因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品要么是采用12V輸入電壓,要么就是3.3V~5V(這就有點(diǎn)太低了)。

第四,IBA結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)方法的價(jià)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(gè)隔離1/8磚變換器,而IBA方法可能需要一個(gè)1/4磚總線變換器和6個(gè)非隔離變換器(對(duì)于要求較大電流的負(fù)載,可能需要非隔離變換器并聯(lián)使用)。就目前的市場(chǎng)價(jià)格來看,IBA方案的成本比采用四個(gè)獨(dú)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(gè)隔離1/4磚變換器來獲得3.3V和1.8V輸出,兩個(gè)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(shì)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(jià)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(gè)低功率變換器低。

此外,如果真想通過自己設(shè)計(jì)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?yàn)槠渲休o助電壓所需要的功率水平相對(duì)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(duì)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(jì)并制作非隔離變換器有困難,那么IBA方法更為合適。但對(duì)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。