进一步提升48V至12V电源方案的效率

时间: 2024-06-05 17:42:10 |   作者: CAN接口

  48 V配电在数据中心和通信应用中很常见，有许多不同的解决方案可将48 V降压至中间电压轨。最简单的方法可能是降压拓扑，它能够给大家提供高性能，但功率密度往往不足。使用耦合电感升级多相降压转换器能大幅度提高功率密度，这种方案与先进的替代方案不相上下，同时保持了巨大的性能优势。多相耦合电感的绕组之间反向耦合，因而各相电流中的电流纹波能相互抵消。这种优势可拿来换取效率的改善，或者尺寸的减小和功率密度的提高等。本文介绍了一个示例，其磁元件的体积和重量只有原来的1/4，使得1.2 kW解决方案符合1/8砖的行业标准尺寸，并且峰值效率高于98%。本文还重点讨论了如何根据耦合电感的品质因数(FOM)优化48 V拓扑。

  48 V配电轨通常会降压至某个中间电压，往往是12 V或更低，然后不同的本地负载点稳压器直接向不同负载提供各种不同的电压。对于48 V至12 V降压调节器，首选之一是多相降压转换器（图1）。这种解决方案提供稳压VO和快速瞬态性能，很容易实现且成本较低。对于几百瓦到1 kW的功率范围，可优先考虑四相并联。然而，高效率通常是一个第一先考虑因素，与12 V甚至5 V输入的较低电压应用相比，48 V转换器为了保持低开关损耗，开关频率通常相比来说较低。这会在伏特×秒方面对磁元件造成双重损害，因为已经很明显的电压也会作用相对较长的时间。因此，与较低电压应用相比，48 V的磁元件通常体积较大，并使用多匝绕组来承受明显提高的伏特×秒。48 V降压转换器仍旧能实现高效率，但整体尺寸通常相当大，其中电感占据了大部分体积。

  基本48 V至12 V ~1 kW降压转换器具有四相，使用6.8 μH分立电感，开关频率为200kHz。这四个电感是目前最大和最高的元件，占解决方案体积的大部分。本文的目标是保持或提高此初始设计所实现的高效率，但显著减小磁元件的尺寸。

  常规降压转换器各相的电流纹波可由公式1求出，其中占空比为 D = VO/VIN, VO为输出电压，VIN为输入电压，L为电感值，Fs为开关频率。

  用漏感为Lk且互感为Lm的耦合电感代替分立电感(DL)，CL（耦合电感）中的电流纹波可表示为公式2。FOM表示为公式3，其中 Nph为耦合相数，ρ为耦合系数（公式4），j为运行指数，仅定义占空比的适用区间（公式5）。

  改进的第一步是针对耦合系数Lm/Lk的几个实际合理值绘制 Nph= 4 的FOM曲线）。红色曲线 表示分立电感的FOM = 1基线。已经证明，漏感非常低的陷波CL (NCL)结构一般能实现非常高的 Lm/Lk，因此FOM值也很高。然而，虽然在理想情况下目标 占空比正好位于第一陷波D = 12 V/48 V=0.25，但有必要考虑 VIN和 VO的某个范围。有时候，标称 VIN可以是48 V或54 V加上一些容差， VO能调整为远离12 V，等等。如果占空比在D = 0.25附近的某个范围内变化，为使电流纹波始终受到抑制，应选择具有相当大漏感的典型CL设计，而不是NCL，但FOM值仍然相当大。假设 Lm/Lk 4，与DL基线相比，减小CL中的电感值可能使图2中的FOM提高约6倍。减少能量存储会直接影响所需的磁元件体积。因此，将DL = 6.8 μH降低为CL = 1.1 μH应有利于减小尺寸。

  图2. 针对一些不同 Lm/Lk值，4相CL的FOM与占空比D的函数关系。突出显示 了目标区域.

  图3显示了相应的电流纹波，比较了VIN= 48 V 和 Fs= 200 kHz 条件下的基线 μH (Lm = 4.9 μH) )。在目标区域中，CL的电流纹波与DL的电流纹波相似或更小。这在某种程度上预示着所有电路波形的均方根相似，传导损耗也相似。相同Fs时的相同纹波还意味着开关损耗、栅极驱动损耗等也相同，因此这两种解决方案的效率应该非常相似（假设DL和CL电感损耗的贡献相似，这是唯一的区别）。

  图4. 四个DL = 6.8 μH电感（上方）被替换为CL = 4 × 1.1 μH（下方），体积减小到原来的1/4。

  图5. 48 V至12 V调节第一级。元件放置在PCB正面的1/4砖轮廓内。将所有~1 mm 元件移至底部：1/8砖。

  图4显示了设计的CL = 4 × 1.1 μH，其取代了四个DL = 6.8 μH电感。5 每个DL的尺寸为28 mm × 28 mm × 16 mm，假设它们彼此间隔0.5 mm，那么尺寸为56.5 mm × 18 mm × 12.6 mm的4相CL可使磁元件体积减小到原来的1/4。图5显示了完整的1.2 kW 48 V至12 V调节解决方案，PCB单面上的元件位于1/4砖轮廓内。CL尺寸和封装经过专门设计，两个CL元件能安放在行业标准四分之一砖尺寸内。将所有~1 mm元件（FET、控制器IC、陶瓷电容等）放置在PCB底部，以此来实现1/8砖尺寸的1.2 kW解决方案。

  当DL = 6.8 μH电感变为CL = 4 × 1.1 μH时，电感中的电流摆率限制也改善了6倍，这有助于改善瞬态性能。除此之外，尽管磁元件总体积减少到原来的1/4，但100°C时的电感饱和额定值提高了约2倍。

  图6显示了建议的 VIN= 48 V 解决方案（输出 VO= 12 V ）的瞬态性能。正如所料，对于变化的负载电流，反馈将输出电压调节至预设值，同时补偿输入电压的任何变化。

  所实现的效率如图7所示，它可能是首要的性能参数。它与先进的行业解决方案进行了比较：48 V至12 V（固定4:1降压）LLC，初级侧和次级侧均有矩阵变压器和GaN FET。10所实现的满载效率为97.6%，而基准效率为96.3%。这在某种程度上预示着在全功率下损耗减少16.6 W，建议的解决方案实现了1.6倍的改进。当效率已经如此之高时，损耗要降低如此大的幅度通常很难实现。

  尺寸和效率之间的权衡当然是可能的。图8比较了CL = 4 × 1.1 μH（磁元件尺寸减小到DL的1/4）和更大的CL = 4 × 3 μH（电感体积仅减小到DL的1/2）的效率。物理尺寸较大的CL = 4 × 3 μH具有较高的漏感 Lk= 3 μH 和较大的互感 Lm= 10 μH。这使得 Fs可以轻松降低至110 kHz，从而大幅度的提高整个负载范围内的效率。

  利用耦合电感的优势，48 V至12 V解决方案将磁元件总尺寸减小到基本分立电感的1/4，以行业标准的1/8砖尺寸实现了1.2 kW功率。在磁元件尺寸减小4倍的同时，它保持了出色的效率性能，瞬态电感电流摆率提高了6倍，电感Isat额定值提高了2倍。

  与同样尺寸的业界先进48 V至12 V解决方案相比，它在全功率下的损耗降低了约1.6倍。如果磁元件尺寸的减小幅度可以不那么大，效率还能进一步提高。

  同时，建议的解决方案提供出色的稳压输出，可直接放置在客户母板上，并利用标准硅FET逐步优化成本。与之相比，采用全GaN FET的非稳压4:1 LLC是作为单独模块制造的，并使用具有多层、敏感布局和嵌入式矩阵变压器的专用PCB。

  整体性能改善体现了ADI耦合电感专利IP的优势，我们很高兴将其提供给众多客户用于DC-DC应用。