四分之一砖结构能提升功率密度和效率水平

众所周知，现代服务器、工作站和电信设备中常见的中间总线架构 (IBA) 由各种各样被称作砖型电源的隔离式 DC/DC 转换器提供电力。 这些砖形电源提供一个较低的 DC 总线电压，能让系统设计人员快速构建高效率、高密度、非隔离式负载点 (POL) 降压稳压器，以驱动各种不同的电子负载，如系统板上的微处理器、FPGA 和 ASIC。 现在由于降压比较小，因此 POL 稳压器的构建较为简单。

根据 TechZone 文库中最近发表的一篇题为《具有更高功率、效率和密度的八分之一转转换器》的文章，一种仍采用 2.3 x 0.9 英寸 (58 x 23 mm) 标准基底面，但具有更高功率、更高能效、更优数字控制功能和更低成本的八分之一砖转换器正在开发之中。 因此在明显更小的八分之一砖电源基底面内，这些砖形电源能以更高的效率、密度以及具有竞争力的价格，实现相当于四分之一砖电源的功率和功能。 同时，由于系统板要求更高的功率和效率、更快的反应能力，因此砖形电源制造商也提高了四分之一砖电源的性能和功率。 此外，还针对数字控制增加了如 PMBus 之类接口。

本文通过介绍象 CUI、GE Critical Power、Murata Power Solutions、Bel Power Solutions 和 Vicor 及其它制造商对四分之一砖电源所做的改进，说明四分之一砖电源如何提升性能，实现比肩半砖和全砖电源的功能。

提高标准

例如，Vicor 在推高功率包络线的同时提高效率标准。 最近，该公司设法在四分之一砖基底面内达到了 850 W 功率输出以及超过 98％ 的峰值效率。 Vicor VI Brick^® IBC 系列中的 IB050Q096T70N1-00 能以无可比拟的效率和瞬态响应能力，在最小的空间内输出最高有用功率。 这款 IBC 模块作为业内标准 5:1 固定比率转换器的插入式升级产品，其工作输入电压为 36 V 至 60 V，输入至输出隔离能力为 2,250 V_DC 。 该模块能同时实现很高的峰值效率（图 1）。 该模块的额定电流高达 80 A，但输出功率为 850 W 时，输入电压为 55 V 至 60 V。同样地，输出功率为 550 W 时，DC 输入为 36 V 至 54 V。据厂方介绍，体积为 2.30 x 1.45 x 0.42 in 的四分之一砖模块的开放框架结构能改善模块的上下气流，从而最大限度地减小下游元件的温升。 因此，该模块能在热受限系统中产生最高有用功率，为设计人员节省宝贵的板空间并在 65°C 环境温度和仅 400-LFM 气流下满载工作。 根据 Vicor 的产品规格书，IBC 模块采用该公司的专有正弦幅值转换器拓扑结构，以便在更高频率下进行切换，从而在提高功率密度和效率的同时，将瞬态响应时间缩短至原来的十分之一。 因此，该产品在中间总线上不需要大容量电容器。


图 1：Vicor 的 VI Brick IBC 四分之一砖模块在 55°C 环境下峰值效率为 98% 。

通过采用获得专利的 Solus 电源拓扑结构，CUI 也提升了其 NQB 系列四分之一砖模块的功率密度，以满足在电信系统和数据中心中使用的中间总线转换器的功率提升要求。 作为该公司 Novum 高级电源产品组合的一部分，NQB 系列在 36 V 至 60 V_DC 输入和 12 V_DC 输出条件下，在四分之一砖基底面内实现了高达 720 W 的功率和超过 96% 的效率。 NQB 产品将最终支持更宽的输入范围以及 9.6 V_DC 输出。 该系列的特性包括兼容 DOSA 基底面、远程开/关和负载共享等可选功能。

数字化控制

为实现数字化控制，该厂商推出 NQB-D 系列，该系列将基于 ARM 的 32 位微控制器和功率优化固件相结合，使其效率曲线实现了最大化且更为平坦，以适应负载条件变化剧烈的应用。 另外，现已推出 PMBus 1.2 版接口用于远程监视、控制，并针对输出电压、电压裕量、故障管理、精确延时上升和启动/停止等特性配置砖形电源。

同样，GE Critical Power 也将数字控制功能与其高功率 Barracuda 产品线相结合，在符合 DOSA 要求的四分之一砖基底面内实现全稳压。 用 PMBus 武装起来的 Barracuda 砖形产品设计用于提供 9.6 V 至 12 V_DC 中间总线电压，以驱动非隔离式 POL 转换器。 输入为 36 V 至 75 V_DC、输出为 12 V_DC，QBDW025A0B 属于 300 W 输出功率级产品（图 2）。 该产品支持 PMBus 1.2 规范中的指令子集。 产品规格书中有这些指令的详细介绍。 可作为默认参数保存通过 PMBus 编程的控制器参数，以备后用。 四分之一砖 QBDW025A0B 包括非易失性存储器，用于保存配置设置值和比例系数。


图 2：符合 DOSA 要求的 GE Critical Power 四分之一砖 QBDW025A0B 器件属于 Barracuda 系列，能够以 12 V_DC 输出电压输出 300 W 的功率。

为实现 96% 或更高效率，Barracuda 砖形系列集同步整流功能与创新封装于一体。 由于输出和输入完全隔离，因此可实现多种极性配置和接地连接。 此外，采用内置式输入和输出滤波后，DC/DC 转换器最大限度地降低了外部滤波要求。

Barracuda 砖形系列的输出具有过流、过压和超温保护功能。 为满足更高的功率要求，QBDW025A0B 电源模块提供并联运行所需的可选功能。 它能实现精确的强制输出压载调节下垂特性。 根据 GE 介绍，输出设定点和下垂斜率在出厂前已经过校准，以确保多个模块的负载调节特性达到最佳匹配。 规格书中详细介绍了实现负载共享的各项要求。 其他选项包括用于热管理的基板和故障关断后自动重启功能。

在自然或强制对流环境下，基板都能提升热性能。 另外，还允许装置部署在传导冷却应用中，将基板被固定到更大的散热器或者冷却板上。

更宽的输入电压范围

一般情况下，砖形转换器的输入电压范围为 2:1，也就是说最高工作电压大约两倍于最低工作电压。 典型例子是 18 V 至 36 V 和 36 V 至 75 V 输入。但对于一些应用，如果设备可能需要部署在可用电压完全不同的环境中时，则可采用由 Murata Power Solutions 和 Bel Power Solutions 等制造商提供的超宽输入范围模块。 此类产品的输入范围可达到 3:1 或更宽。

Murata 的 UWQ-12/20-T48 四分之一砖转换器就是一个很好的例子。 该器件设计用于无线回程（一种宽范围网络）以及其它电信应用，可接受 18 V 至 60 V_DC 输入并提供 20 A 和 12 V_DC 输出，采用兼容 DOSA 的开放框架式四分之一砖封装且体积仅 58.4 x 36.8 x 11.7 mm (2.3 x 1.45 x 0.46 in)。 该器件具有严格的负载和线路调节功能，可确保负载变化时输出电压波动不超过 ±1.25%。 典型效率为 92% 且最多允许三个器件并联运行，以提供冗余或进行负载共享，实现较高输出功率（图 3）。 除了远程开/关控制功能外，这款四分之一砖转换器还具有过流、超温、输入欠压和输出短路保护功能。 另外，还提供可选基板用于传导冷却。


图 3：Murata 的隔离式四分之一砖模块可并联连接，以实现更高输出电流。

在 UWQ 系列中，Murata 还增加了具有 4:1 输入能力的四分之一砖模块。 UWQ-12/17-Q48 便是其中的一个器件，它采用适合 48 V 标称输入的 18 V 至 75 V_DC 输入范围。 该模块在 17 A 输出电流时提供恒定 12 V DC 输出电压。 其它特性包括远程开/关、DOSA 兼容型引脚布局和外形、全面的自保护、OVP、输入欠电压、限流和热关断功能。

同样，Bel Power Solutions 推出了一个命名为 UIQ 的 DOSA 兼容型 240 W 四分之一砖系列，该系列能够适应 18 V 至 75 V 宽 DC 输入范围，生成 12 V 、5 V 或 3.3 V DC 输出。例如，UIQ48T20120 提供 20 A、12 V_DC 输出且效率达到 92%。 该系列为专门定制产品，适合气流有限、环境温度更高的系统。 此外，该砖形模块采用散热器，能在您选用冷板和散热器时提供有效的热界面（图 4）。


图 4：Bel Power Solutions 的 DOSA 兼容型四分之一砖 UIQ48T20120 器件配备散热器，能进一步增强转换器的散热能力。

总结，四分之一砖 DC/DC 转换器不仅在功率密度、转换效率和热性能方面确立了全新标准，而且还在板上增加了更多特性。 因此，这些模块的功能与早期的半砖或全砖器件旗鼓相当。

如需详细了解本文所提到的转换器，请使用文中给出的链接访问 DigiKey 网站上的产品页。