Vicor的VIA PFM实现从AC到负载点的功率元件设计方法
白皮书
Vicor 的VIA PFM实现从AC 到负载点的 功率元件设计方法
2015年5月
摘要
本白皮书描述了一个执行许多系统要求的前端AC-DC 转换的功率元件——新的 PFM 如何实现Vicor 的从AC 到负载点(PoL )功率元件设计方法的应用。文章 还介绍了元件的性能,强调了VIA PFM如何有助于提供卓越灵活性、密度和 效率的电源系统开发。
功率元件设计方法
在早期的电子系统中,设计人员使用集中式电源架构(CPA ),其中所有需要的电 压都是由一个“银盒”或开放框架电源提供的。随着电源系统需求的增加,特别 是随着半导体负载的出现,如需要低电压、大电流供应的处理器和FPGA ,工程 师要在整个系统中分布转换器和稳压器。因此,负载点转换器已成为提供接近负 载的降压调节的热门选择,从而实现低压元件要求的较大电流。
Vicor 功率元件设计方法是一种将电源系统分成几个独立元件的方法,每个元件优 化执行特定角色。这些功率元件无缝连接到电源链中的其他元件,使复杂系统的 设计和开发既快速又容易,同时保持前所未有的灵活性。
针对前端的AC-DC 功率元件
虽然功率元件设计方法已得到了许多公司工程师的认可,但缺乏真正的AC-DC 功 率元件意味着该方法可能很难适用于从AC 至PoL 。VIA PFM的推出改变了这个局面,使得功率元件设计方法成为了开发高性能电源系统的端到端解决方案。
功率元件定义为执行功能的构建块,可以灵活地连接在一起实现完整的电源链。如 果构建块易于使用,其需要的一个附加电路应该最小,因此AC 前端元件需要提供 PFC (功率因数校正)、EMI 滤波和瞬变、浪涌及突入电流保护。VIA PFM在灵活 的、热适应封装中集成了所有这些功能。
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VIA 技术的优势
VIA 封装技术提供业界领先的功率密度。它有仅为35.5 mm宽、长度范围从72 至141 mm的紧凑占位面积,以及仅为9.3 mm的薄型高度。板安装和底盘安装 版本的封装均已提供,允许工程师们以最有效和在最方便的位置安装元件。 高效的散热外壳可从VIA 封装内元件的顶部和底部带走热量,而且只要求一侧 散热,进而优化了散热,同时简化了热设计。通过底盘安装版本,电源系统所 需的空间进一步减少,它允许系统底盘成为热设计的一部分,而且在许多 应用中可以去掉风扇,进一步减少了所需的空间,同时提高了系统可靠性。
图1: VIA 封装的结构
VIA 平台的尺寸很小,尤其是薄型的封装,允许前所未有的位置灵活性。VIA
元件通常可以安装在以前一直未使用的系统内空间:例如在DIN 导轨后面。 这样做的效果是,这些功率元件可以不需要系统内的额外空间。
VIA 系列还集成了关键的辅助功能,如瞬态保护、EMI 滤波,以及浪涌限制。在 模块内实现这些功能基本上将前端电源子系统减少为一个元件;降低了实现尺 寸和器件数;简化了电源链设计;而且简化了PCB 布局或底盘布线。
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VIA 平台可以应用于Vicor 的当前和未来的电源转换拓扑结构,包括ZVS 非隔离式稳 压器、隔离式固定比例正弦振幅转换器,以及隔离式双箝位ZVS 稳压器。VIA 元件 还可与其他Vicor 功率元件直接集成,包括我们广泛的PoL 稳压器和DC-DC 转换器 产品组合。
第一个VIA PFM概述
第一个VIA PFM提供了一个通用AC 输入(85 – 264 Vac,频率为47至63 Hz),并 以400 W提供一个24 V(PFA175x240x400Axx )或48 V(PFA175x480x400Axx )隔 离式稳压输出。不像其他AC-DC 转换器,VIA PFM可在整个AC 输入电压范围保持 最大输出功率。
这两种器件都安装在一个紧凑的125×36×9.4 mm封装内,以底盘安装和PCB 安装外形 尺寸提供。VIA PFM还提供92%(24 V输出)或93%(针对48 V元件)的特殊峰值效 率,在整个电压范围的效率曲线非常平坦。
广泛的滤波和保护意味着在输入和输出端只需要最小的额外元件。VIA PFM集成了 有源PFC (功率因数校正);EMI 滤波,以及瞬态浪涌和突入电流保护。VIA PFM 还集成了电压、电流和温度保护,确保使用元件构建的系统坚固和可靠。产品满足 扩展的“T 级”(40℃至100℃)温度范围,以及标准“C 级”(20℃至100℃)。
只需要少量外部元件来创建一个使用VIA PFM的完整AC-DC 转换器。除了一个整流器, VIA PFM的输入端只需要一个用于保护的熔断器和MOV (金属氧化物压敏电阻)和 保持电容器,而输出端只需要保持电容器。
一个设计可以在世界各地使用,因为通用输入支持全范围的AC 输入电压,而在大多 数的线路条件下超过0.95的有源PFC ,使系统很容易满足所有机构标准。系统应能在短 时间内处理全功率。
电源系统设计人员也应该考虑负载的最高转换率及其重复率。这些功能需要来自控制 电路的智能管理。为推动这项工作,数字电源管理控制电路可以自动检测负载条件, 并平滑切换到相应的转换器。
VIA PFM是功率密度为关键要求的AC-DC 应用的理想选择,如小蜂窝基站等电信设 备;DIN 轨电源系统;LED 照明;测试系统;以及广泛的工业应用。
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图2:
一个有通用AC 输入 的用于小型蜂窝基 站的完整紧凑型六 输出电源链。
整流 AC
电池 充电器
可选
AC – 48 V母线
48 VDC
PFM
400 W
12 V
5V
3.3 V
数字 数字 数字 功率 放大器 模拟
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Rev 1.0
5/2015
未来发展
VIA 封装技术将为一系列完整的前端功率元件提供一个平台。Vicor 已经 宣布,除了范围越来越广的AC-DC 前端,正在开发一个系列DC-DC 前端 转换器,包括支持高压DC (HVDC )输入的元件。AC-DC 系列也将 得到扩展,增加额外滤波选项、智能控制和增强的可扩展性。VIA 平台也 可以用于其他外围元件。
结论
利用灵活、热适应VIA 封装技术,Vicor 创建了一个系列AC-DC 前端元件, 有助于将功率元件设计方法用于从AC 至负载点。这使工程师能够使用一种构建块方法,迅速而容易地创建灵活、高效和密集的高性能电源系统。
虽然功率元件设计方法的应用通常能够创造最佳的电源系统,但是VIA PFM 因其本身的能力也是一个重要器件,可在简化了热设计的尺寸中提供高水平 的集成和前所未有的功率密度。因此,VIA PFM可以部署在空间是重要设计 标准的广泛应用当中。
The Power Behind Performance
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