孤立性IBC的第三种方法
在设计数据中心等应用的分布式电源架构时，可以使用隔离式中间总线转换器 (IBC) 将标称 48V 或 54V 的输入电压转换为 10V 至 12V 的总线电压，供一个或多个下游负载点 (PoL) 转换器使用。过去，主要有两种方法：一种是简单的固定比率转换器，其输出不稳压；另一种是具有完全稳压功能的固定输出转换器。.
目前，混合稳压比（HRR）变换器已经发展起来，它结合了两种变换器的优势，能够根据输入电压在两种模式之间无缝切换。为了充分理解HRR的价值，有必要比较HRR变换器、固定比变换器和固定输出变换器的运行特性，并结合典型的工作条件进行分析。.
背景和运行原理
回想一下，桥式开关电源转换器的脉冲宽度调制 (PWM) 用于控制输出电压——较长的开关导通时间会增加输出的平均电压，而较短的导通时间则会降低平均电压，并通过输出滤波器将波形平滑至直流。PWM 可以检测输出电压，并用于补偿输入电压的变化，变压器匝数比的设置使得在最小输入电压下占空比接近 100%。随着负载的增加，占空比也会逐渐增大，因为转换器需要补偿高电流下增大的电压降。在接近 100% 的占空比下，输出电感器在关断期间几乎不需要存储能量，输入和输出开关电流接近连续电流，其平均值接近均方根值。相反，在低占空比下，每个开关周期都必须存储和释放大量能量，电流波形的峰均比很高，因此均方根值也很高，这两种效应都会增加损耗。因此，稳压转换器的最高效率通常在最小输入电压和高负载下获得。在高输入电压和轻负载下，由于占空比低，效率会受到影响。然而，稳压转换器可以设置为向下游电源供电 (PoL) 提供固定的最佳输出电压，从而在一定程度上恢复系统效率。输入电压范围也很宽，可以轻松覆盖 ETSI 标准的 36V 至 72V。.
固定比率转换器在所有工况下均以接近 100% 的占空比运行，仅需一个非常小的输出储能电感，并且由于其输入和输出 RMS 电流较低，因此在较宽的输入电压范围内都能保持高效。在相同的纹波电压下，由于纹波电流始终很低，因此输出电容也可以更小。然而，其输入范围通常受到限制——例如，对于 5:1 的变压器比率，当输入电压为 36V 至 72V 时，输出电压会在大约 7V 至 14.4V 之间变化。这将限制 PoL 必须是宽输入类型，而宽输入类型效率较低，尤其是在 7V 输入时，因为在相同的 PoL 输出负载功率下，电流会更高。因此，固定比率转换器通常被指定用于较窄的输入范围，通常为 45V 至 54V，这限制了它们的应用范围。另一个缺点是，固定比率转换器输入端的电压浪涌会直接传递到输出端，从而可能对 PoL 造成压力并产生电磁干扰 (EMI)。.
HRR 兼具两者的优点
HRR 技术兼具两种方法的优点；在低输入电压下，转换器以接近 100% 的占空比运行，但在高于设定值时，则无缝切换到 PWM 控制，从而限制输出电压。其效果如图所示。 图 1, 本文将典型的 5:1 固定比率转换器与高阻 (HRR) 转换器（例如某些 PKU-D 系列型号）的输出电压进行比较，后者在 35V 至 75V 的输入电压范围内，输出电压限制在 12V。固定比率转换器在输入电压超过 65V 时会强制关断，以将输出电压限制在安全值。而采用 4:1 比率变压器的高阻转换器，其设计使其在标称输入工作电压（本例中为 54V）下仍能保持 100% 占空比模式，因此在 36V 至 60V 左右的输入电压范围内，其输出电压高于固定比率转换器。事实上，它甚至可以承受高达 80V 的短期过电压而不会失去输出控制。.
图 1：在较低的输入电压 (Vin) 下，HRR 运行类似于固定比率运行，但在较高的输入电压 (Vin) 下，HRR 运行会限制输出电压 (Vout)。
通过考察 HRR 在各种条件下的运行情况，可以揭示如何最大限度地利用转换器，并量化其在效率和系统设计方面的优势。.
HRR与全稳压转换器的比较
图 2 和 图 3 图 2 展示了 HRR 转换器的功率能力和效率。图 2 显示，在最大输出电流固定的情况下，HRR 可以设计成在标称电压 V 下获得最高功率。在 额定电压为 54V，在高电压下由于开关损耗会降低效率而进行一定程度的降额。.
图 2：当输入电压 Vin 接近标称值 54V 时，HRR 转换器输出功率最大。
图 3 中的效率曲线表明，随着 V 的增大，HRR 转换器的效率也随之提高。在 由于电阻和其他电压降的减少，输出电压上升至标称值 54V，这是因为在恒定负载功率下，电流会随着输出电压的增加而减小。在高负载下尤其如此。需要注意的是，尽管在较低的输出电压值下，效率和最大输出功率都会降低。在, 性能依然令人印象深刻。在40V电压下输出200W功率时，TP34T的效率高达95.11%。在 对于中间总线转换器而言，这是一个良好的性能。.
图 3：HRR 转换器效率在标称输入电压下达到峰值
比较不同 V 值范围内的性能曲线在 与完全稳压的固定输出 12V 转换器（在本例中为 Flex 功率模块 PKU4213D）的数值相比，HRR 转换器的一个关键优势显而易见： 图 4 图中展示了 Flex 功率模块 PKU4213D 的一系列效率曲线，表明其最佳性能出现在低电压下。在 其中占空比较高。然而，中间总线变换器很少以如此低的值运行。实际上，V在 大多数情况下，其值接近标称值，此时HRR转换器能够实现最佳功率性能和效率。与全稳压转换器相比，这为终端用户带来了诸多优势，包括更低的电费、更低的运行温度、更少的冷却需求、更高的可靠性和更长的设备使用寿命。.
图 4：全稳压 IBC 的效率通常在低输入电压下最高
注意，即使在 V 值较低的情况下也是如此。在, HRR的性能优于传统技术。在150W和40V输入电压下，效率提高了1.2%。在200W和54V输入电压下，效率提升至2.2%。.
固定比率转换器比较
使用占空比始终接近 100% 的固定比率转换器的主要优势在于其高效率，但这仅适用于有限的输入电压范围。然而，HRR 技术与之相比毫不逊色，在某些情况下甚至更胜一筹。.
输入电压范围高达 60V 时，可能需要 5:1 固定比例转换器。在这种情况下，V出去 在 54V 输入电压下，输出电压约为 10.4V，这兼顾了效率和动态性能。可以选择一款具有限制电压的 4:1 HRR 转换器。出去 可选12V或10.4V输入电压（例如PKU4217D）。12V选项在50V左右切换到比例模式，当输入电压为54V时，其性能与固定比例模式非常接近。10.4V选项在43V左右切换，导致转换器在54V时占空比显著降低，性能略有下降。然而，较低的后续PoL电压可能会提高它们的效率，因此总体影响可能微乎其微。.
如果 V在 然而，当输入电压下降时，固定比率转换器的性能也会下降。在 40V 输入电压下，5:1 固定比率转换器的输出电压约为 7.7V。这迫使转换器以比标称电压下更高的输出电流运行。在/V出去 在相同负载功率下，HRR模块的电压仅降至约9V，因此固定负载功率下的电流增幅较小，从而显著降低了电阻性分配损耗。.
在这种情况下，虽然10.4V HRR转换器在标称电压下的最大功率可能略有不足。在, 它的V形更平坦。出去 在整个输入电压范围内，它都能提供稳定的性能曲线和更均匀的输出功率曲线。简而言之，这意味着在最需要功率的情况下，它可以提供更大的功率。.
处理输入瞬态
虽然 HRR 技术已被证明在最常见的运行条件下能够显著提高效率和功率，但它对陡峭的正向输入电压瞬变的响应可以优于固定比率转换器，这使得它们在电信行业特别有吸引力。.
图 5 比较三种不同的 DC-DC 转换器对 48V 到 54V 的陡峭输入瞬态的响应。.
图 5：全稳压、固定比率和 HRR 转换器对 48V 至 54V 电压的响应在 瞬态
上图显示了PKU4213D 17A转换器的响应，该转换器具有完全稳压的12V固定输出电压，可为8.5A负载供电。V的变化很小。出去, 正如预期的那样。.
第二条曲线来自一个12V、25A的高回流比转换器，负载为12.5A。电压平滑上升。出去 输出电压切换大约需要 4 毫秒，在这种情况下，是在“比率”模式和恒定输出电压模式之间切换。.
下方曲线图显示的是一个 9.6V 42A 固定比率 5:1 转换器，负载为 12.5A。出去 紧随V在 电压发生阶跃变化。.
后续的 PoL 转换器可能会将来自比率转换器的输入电压阶跃变化作为瞬态信号传递到 PoL 负载，从而导致功能故障甚至损坏。HRR 技术凭借其主动控制功能，可以在恢复到 100% 之前，暂时降低占空比并减缓 IBC 输出电压的变化，从而保护 PoL。.
固定比率转换器能够通过的阶跃电压也会导致 IBC 输出电容器中出现高瞬态电流。. 图 6 显示了 V 期间两个 470µF 输出电容器中的示例电流在 之前讨论的 5:1 固定比率转换器的瞬态电压从 48V 到 54V。.
图 6：输出电容电流对 V 的响应在 固定比率、全稳压和高转速变换器的瞬态特性
对于固定比率转换器，由于电压变化非常陡峭，流向电容器的充电电流达到 36.1A。出去 改变。转换器过载（12.5A + 36.1A > 42A），输出电压显著下降。将电压从 40V 阶跃至 54V 进行相同测试，会导致转换器进入过流保护状态。.
采用HRR转换器后，电容充电电流仅为0.7A，与全稳压固定输出转换器的0.3A充电电流相比，优势显著。这是HRR的重要优势之一。Flex功率模块的PKU-D HRR产品在过载时具有恒流特性，如果过载持续，则会自动关机并重启。.
负瞬态电压在变比转换器中可能造成问题。
大多数现代转换器采用输出同步整流 (SR) 技术来替代分立二极管，以获得最佳效率。然而，该技术也存在一个缺点：配置为整流器的 MOSFET 既可以吸收电流，也可以提供电流。如果固定比率转换器遇到负向输入瞬态，输出电压会立即下降，并且由于 100% 的占空比开关保持不变，电流会从已充电的输出电容器反向流动，从而导致输入端出现较大的反向电流。这种情况也会影响高比率整流 (HRR) 转换器，但 Flex 功率模块的 HRR 器件具有反向电流检测功能，在最坏的情况下，该功能会将转换器置于待机模式，直到输出电压降至正确水平。在这种情况下，由于输出电压仍然由输出电容器维持，因此负载不受影响。.
HRR的输入纹波抑制性能更好。
对于固定比率转换器，输入端的任何低频纹波电压都会按比率比例直接传递到输出端，甚至可能由于输入和输出滤波器在高频时的“峰值”效应而被放大。采用高阶旋转变换（HRR）技术时，纹波在低频下同样会通过转换比率得到衰减，但由于占空比永远不会正好是100%，因此可以应用一些“前馈”脉宽调制（PWM）来衰减纹波。. 图 7 显示了 HRR 转换器产生的纹波衰减，预期衰减为 4:1，直至 1kHz，在 10kHz 时增加到约 -35dB。.
图 7：HRR 转换器 – 输入纹波电压衰减
将此与固定比率转换器的衰减图进行比较 图 8 在 1kHz 时衰减为 5:1 (-14dB)，但在 10kHz 时仅为 -10dB。.
图 8：固定比率转换器——输入纹波电压衰减
如图所示，在一个固定比率变换器示例中，由于输入和输出滤波器谐振，在高达 100kHz 的较高频率处出现峰值。 图 9, 导致在 20kHz 左右，输入 200mV (+5dB) 时，输出纹波为 350mV。.
图 9：输入和输出滤波器可放大输入纹波电压
结论
无论是固定比率转换器还是全稳压固定输出转换器，都无法为非隔离式 PoL 转换器提供完全令人满意的隔离中间母线供电方案。固定比率转换器虽然在某些情况下效率较高，但无法处理 ETSI 标准要求的全部输入电压变化范围，且对输入瞬态的响应也不佳。固定输出转换器在标称输入电压附近效率相对较低。.
Flex 功率模块采用专有的混合稳压比 (HRR) 技术，在最常见的运行条件下可实现更高的效率和功率输出，并允许更宽的输入电压范围，同时提供卓越的瞬态响应和更低的输出纹波。这些优势确保了其在电信、工业、实验室以及其他采用隔离式 IBC 分布式电源架构的应用中表现出色。采用 HRR 技术的 Flex 功率模块转换器功率范围从 260W 到 1300W，其显著的节能效果可带来快速的投资回报。.
图 10：Flex 功率模块 PKU4217D