在我擔(dān)任電路設(shè)計(jì)工程師的 40 年中，我學(xué)到的關(guān)鍵知識(shí)之一是，并非所有電路架構(gòu)都是一樣的。一種架構(gòu)可能完全適合特定設(shè)計(jì)，而另一種不同的架構(gòu)可能更適合不同的場(chǎng)景。對(duì)以下解決方案保持開放的態(tài)度;您的特定項(xiàng)目將對(duì)電源管理有特定需求，因?yàn)闆]有“千篇一律”的電源設(shè)計(jì)。尤其要注意您的客戶“關(guān)心”，然后利用您的電源設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)來指導(dǎo)和建議最終客戶采用您認(rèn)為最好的設(shè)計(jì)。在為任何項(xiàng)目選擇最佳電源解決方案時(shí)，溝通和討論必不可少。

也就是說，我非常非常喜歡以 GaN 作為功率元件的解決方案——根據(jù)我的設(shè)計(jì)師觀點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)，這是我個(gè)人的首選。最終采用 GaN 的特定電源架構(gòu)多種多樣——請(qǐng)明智地選擇。

來自 EPC 的專家 Alex Lidow 研究了隔離與無隔離和監(jiān)管與無監(jiān)管架構(gòu)的案例。這個(gè)想法是，在作為直流變壓器 (DCX) 運(yùn)行時(shí)，第一級(jí)可能不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。在這些情況下，Lidow 的文章繼續(xù)研究了四種不同的中間總線解決方案：

1. 隔離穩(wěn)壓磚轉(zhuǎn)換器

2. 非隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

3. 48 V 降壓 LLC 直流變壓器

4. 48V 至 1V 混合轉(zhuǎn)換器

經(jīng)確定，使用雙電感混合轉(zhuǎn)換器(DIHC) 或具有 6 V OUT的 LLC可實(shí)現(xiàn)最佳效率。然而，DIHC 拓?fù)湎鄬?duì)較新，尚未被廣泛采用。48 V IN – 6 V OUT LLC 與 6 V IN – 1 V OUT 降壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，由于其高效率、高功率密度和低成本，正在迅速被新的 AI 和游戲應(yīng)用采用。

在所有具有 48 V IN的拓?fù)渲?，使?GaN 器件實(shí)現(xiàn)了最高效率。這是由于它們的電容較低且尺寸較小。

高效電源轉(zhuǎn)換 (EPC)

對(duì)我來說，GaN 應(yīng)該成為尺寸、效率和速度至關(guān)重要的數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)中的首選功率晶體管對(duì)我來說非常有意義。由 Alex Lidow 領(lǐng)導(dǎo)的 EPC“大師”提出了一個(gè)非常簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)架構(gòu)。

我特別喜歡 EPC 的芯片級(jí)封裝，它允許 為數(shù)據(jù)中心的 eGaN 器件提供六面冷卻10 。隨著 GPU 對(duì)功率的需求不斷增加，一些數(shù)據(jù)中心正在轉(zhuǎn)向潛水式液體冷卻。與任何其他功率元件相比，eGaN 可以更好地幫助延緩成本和工作量。

隔離還是不隔離，這就是問題5

隔離前端

在電源設(shè)計(jì)的前端，EPC 具有硬開關(guān)、48V 至 12V 降壓、變壓器隔離、穩(wěn)壓 500W、1/8 磚轉(zhuǎn)換器，具有 12V、42A 輸出;他們的EPC9115的效率為 96% 至 97%。高頻 GaN 開關(guān)縮小了磁性元件，因此與傳統(tǒng)硅解決方案相比，電路板占位面積更小。

非隔離前端

對(duì)于非隔離前端，有一個(gè) 25A 的 48V 至 5-12V 同步降壓轉(zhuǎn)換器。同樣，該設(shè)計(jì)使用具有高頻開關(guān)功能的 GaN 功率元件，以實(shí)現(xiàn)硅功率元件無法比擬的小尺寸電路板。該設(shè)計(jì)在 15A 負(fù)載下產(chǎn)生 97% 的峰值效率，在 25A 負(fù)載下產(chǎn)生 96.5% 的峰值效率。

48V 降壓至 12V LLC 直流變壓器前端

當(dāng)該設(shè)計(jì)用作具有固定轉(zhuǎn)換比的直流變壓器 (DCX) 時(shí)，該設(shè)計(jì)能夠在較寬的工作范圍內(nèi)保持高效率。EPC 有一個(gè) 48V 至 12V 的演示板，功率為 900W，效率超過 98%。

48V 至 6V LLC 轉(zhuǎn)換器，帶 8:1 變比變壓器5

該設(shè)計(jì)可以在 1 MHz 下處理 900W。這種變壓器設(shè)計(jì)使用 14 層 PCB，具有 2.2 μH 的磁化電感，當(dāng)然還有 GaN 功率元件。

現(xiàn)在，向負(fù)載架構(gòu)過渡到 4V 似乎有一個(gè)更大的趨勢(shì)。這取決于輸出晶體管和其他一些組件，但從 6V 輸出到 4V 輸出確實(shí)不會(huì)損失太多。變壓器在 900W 時(shí)會(huì)變得更大一些，因?yàn)樗且粋€(gè)矩陣變壓器(所有原始矩陣變壓器專利都已過期，并且該 IP 現(xiàn)在屬于公共領(lǐng)域)，因此它可以按該比率進(jìn)行縮放。這種架構(gòu)的效率約為 98%。

專家表示 6、5、4 甚至 3.3V 架構(gòu)都是可行的。他關(guān)于從 48V 總線5為圖形處理器供電的文章 分析了幾種中間級(jí)架構(gòu)，直至 POL。

48V 到 1V 混合轉(zhuǎn)換器5,8,9

該設(shè)計(jì)使用基于 Dickson 開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器9的雙電感混合轉(zhuǎn)換器 (DIHC) 8。DIHC 架構(gòu)在輸出端使用兩個(gè)交錯(cuò)電感，不需要混合 Dickson 轉(zhuǎn)換器所需的兩個(gè)大型同步開關(guān)。

這種設(shè)計(jì)允許 DIHC 具有幾乎 2 倍的開關(guān)和飛跨電容器傳導(dǎo)的直流輸出阻抗貢獻(xiàn)，導(dǎo)致傳導(dǎo)損耗比混合 Dickson 轉(zhuǎn)換器小 2 倍。

2 MHz 區(qū)域附近的較高頻率變壓器帶寬提高了設(shè)計(jì)的響應(yīng)時(shí)間。

結(jié)果的最終分析5

使用 DIHC 或具有 6 V OUT的 LLC 可實(shí)現(xiàn)最高效率。EPC 承認(rèn) DIHC 拓?fù)湎鄬?duì)較新，尚未被廣泛采用。隨著我們?cè)诖祟愒O(shè)計(jì)中推進(jìn) GaN 含量，我看到了這種架構(gòu)的好處。

48 V IN – 6 V OUT LLC 與 6 V IN – 1 V OUT 降壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，是高效率的贏家，非常適合新的 AI 和游戲應(yīng)用，以及高功率密度和低成本。

在所有具有 48 V IN的拓?fù)渲?，GaN 表現(xiàn)出最高的效率。這是由于它們的電容較低且尺寸較小。