Решение проблем проектирования энергосистем с помощью DC/DC-преобразователей точки нагрузки
В стремлении повысить скорость и эффективность, а также уменьшить размер и стоимость источников питания, их архитектура постоянно улучшается.
DC/DC-преобразователи RECOM для работы в точке нагрузки.
На самом базовом уровне задача источника питания заключается в преобразовании входящего переменного напряжения в одно или несколько напряжений постоянного тока с более низким напряжением и более высоким током наиболее эффективным способом. Типичная конструкция начинается с блока преобразования переменного/постоянного тока, включая коррекцию коэффициента мощности (PFC), чтобы максимизировать мощность, доступную от сети переменного тока, и удовлетворить различные нормативные требования к коэффициенту мощности.
Существует множество способов проектирования DC/DC-секции, но в поисках повышения эффективности, размера, скорости и стоимости источников питания архитектура блоков питания эволюционировала от громоздкой и неэффективной архитектуры централизованного питания (CPA) к компактной и высокоэффективной архитектуре распределенного питания (DPA) и архитектуре промежуточной шины (IBA).
На второй иллюстрации показаны три типа конструкции. Архитектура CPA генерирует все системные напряжения в центральном узле. Затем с помощью распределительных шин необходимые напряжения постоянного тока, такие как 12 В, 5 В и 3,3 В, подаются на отдельные печатные платы и устройства.
Централизованные и распределенные архитектуры питания
В отличие от них, DPA и IBA полагаются на более высокое напряжение системы постоянного тока - 24 или 48 В. Затем DC/DC-преобразователь в точке нагрузки (PoL) преобразует напряжение в требуемое значение. Как следует из названия, DC/DC-преобразователь PoL находится как можно ближе к нагрузке.
Обе архитектуры направлены на минимизацию потерь мощности. При передаче энергии от источника питания к нагрузке по резистивному соединению, будь то провод, шина или трассировка печатной платы, возникают потери энергии в виде тепла, известные как потери при распределении. Потери при распределении тока пропорциональны квадрату тока и определяются как P = I2R, где R - сопротивление провода или шины. Для ее уменьшения требуется либо уменьшить ток, либо сопротивление провода.
Для уменьшения тока при той же общей мощности нагрузки необходимо увеличить напряжение (P = VI). Например, удвоение напряжения с 24 В до 48 В снижает ток на 50 %, уменьшая потери при распределении на 75 %. Попытка достичь того же результата за счет снижения сопротивления провода требует увеличения площади сечения проводника в четыре раза, что увеличивает вес и стоимость.
Улучшенное тепловое распределение - еще одна причина перейти на архитектуру распределенного питания. Распределенная конструкция так же распределяет теплогенерирующие элементы по всей площади поверхности оборудования, чтобы минимизировать горячие точки. Тепло - враг электронных компонентов.
Уже давно доказано, что повышение рабочей температуры приводит к увеличению числа отказов. В некоторых нагрузках, таких как крупномасштабные светодиодные дисплеи, используемые на спортивных стадионах или в Лас-Вегасе, последствия чрезмерного нагрева теряют эффективность - светоотдача светодиода снижается с увеличением температуры спая. Локальные горячие точки могут привести к тому, что светодиоды быстрее выходят из строя и становятся тусклее на протяжении всего срока службы.
DPA или IBA – что выбрать?
Во многих промышленных нагрузках и системах автоматизации заводов в качестве системного напряжения для цифровых устройств используется 5 В или 3,3 В. Для таких приложений хорошо подходит DPA с одним PoL DC/DC-преобразователем на каждой нагрузке для понижения напряжения 48 В до более низкого.
Однако во многих других нагрузках, включая телекоммуникационные установки 4G и 5G, высокопроизводительные стойки блейд-серверов в центрах обработки данных, облачные вычисления и корпоративные ИТ-системы, в основном используются цифровые устройства, такие как MPU, GPU и ASIC с малой геометрией, которые работают при напряжении 1,8 В или даже ниже. Этим устройствам требуются сотни ампер и чрезвычайно быстрая реакция источника питания на переходные нагрузки. Снижать напряжение 48 В до 1,8 В за один шаг неэффективно, поскольку рабочий цикл транзисторов DC/DC-преобразователя будет очень низким, что приведет к ухудшению переходных характеристик.
В таких случаях предпочтительнее использовать IBA. Промежуточная ступень DC/DC-преобразователя преобразует 48 В в напряжения, такие как 3,3 В или 5 В, а конечный PoL DC/DC-преобразователь выполняет переход от 3,3 В к 1,8 В. Кроме того, меньшее соотношение между входом и выходом позволяет значительно ускорить время отклика.
DC/DC-преобразователи RECOM для PoL-приложений
DC/DC-регуляторы RPMGQ-20 и RPMGS-20 компании RECOM хорошо подходят для работы с шинами питания 24, 28 и 48 В в качестве PoL-решения в DPA.
RPMGQ-20 и RPMGS-20 - это проходные неизолированные DC/DC-преобразователи с открытой рамкой и выходным номиналом 20 А. RPMGQ-20 выполнен в стандартном для отрасли формате "четверть блока", а RPMGS-20 - в новом стандартном корпусе размером 36,83 мм x 34,04 мм (1,45" x 1,34") со стандартной распиновкой шестнадцатого блока. Оба изделия имеют максимальную высоту 15 мм от монтажной поверхности. Они работают от входного напряжения 18-75 В, а опциональные номинальные выходы - 5 В или 12 В с возможностью регулировки в широком диапазоне, от 3,3 В до 8 В и от 8 В до 24 В, соответственно.
КПД деталей RPMGQ-20 и RPMGS-20 очень высок, достигая 98 % для версий с выходом 12 В и 94 % для версий с выходом 5 В, с почти плоской кривой КПД до нагрузки около 10 %. Благодаря низким потерям и усовершенствованному тепловому дизайну, полная нагрузка возможна при воздушном потоке до температуры окружающей среды более 90°C для всех вариантов с понижением до 120°C.
Изделия оснащены комплексной защитой от пониженного напряжения на входе, перегрузки по току на выходе, короткого замыкания и перегрева. Также предусмотрены дистанционный контроль и вход управления.
