消除大电容 构建更轻的小型电源系统
- 台北讯
对于许多设备来说,电子系统的大小及重量是一项重要要求。这在航太等应用中尤其明显, 例如在无人机中额外的尺寸及重量会缩短航程与飞行时间。但大部分系统都能因更小或更轻的电子产品而受益。电源系统设计人员通常会在零组件选择过程中努力缩减尺寸与重量,但在这个阶段能得到的改善效果实际上相对较小。
选择正确的电源系统架构远比针对特定设计优化零组件选择更有帮助。电源系统的设计可决定所需的零组件及布缆。举例来说,增加用于配电的电压会使所需导体的尺寸缩减,在一些应用中这可能会是一个重要的因素。此外,选择电源架构也会对需要用到的零组件造成影响,有源及无源零组件皆然,可使尺寸及重量大幅缩减。转换器的功率密度及重量虽然重要,但在许多情况下,从散热器到大电容器的其他零组件才是电源系统整体尺寸及重量较为主要的因素。
分比式电源架构
分比式电源架构(FPA)对于需要轻量级小型电源系统的应用来说,是一种特别值得闗注的方法。FPA除去负载点(PoL)的大电容并且以早期在电源链中之陶瓷电容取代,可显着缩小尺寸与重量。我们来看看48 V电压轨需要步降至1.5 V的实例。使用习知方法,DC-DC转换器可使电压步降至中间汇流排,通常是12 V,然后二级 DC-DC转换器可对负载提供1.5 V的供电电压。PoL需要大型外部旁路电容,负载所需的电流可能会有快速的变化。负载电流若有暂态变化,DC-DC转换器就不会有足够的快速响应能力,因此,必须由电容器来提供能量。
这款大容量电容不仅可占用相当大的空间,而且还可增加整体系统重量。定义完需求后,根据尺寸及重量选择电容器不会带来多大的效果。要显着缩减尺寸与重量,就必须大幅降低所需的电容。分比式电源架构可将稳压与转换及隔离分开。前置稳压器模块(PRM)可生成稳压之分比式汇流排,而变压模块(VTM)则可步降电压并提供隔离。
藉由将稳压与隔离及转换分开,FPA可帮助开发高度优化的电源零组件。VTM可在不影响整体效率的情况下提供极大的步降比,从而可使48 V电压直接转换成PoL电压。去除中间汇流排,可简化系统设计并提高效率。PRM与VTM是非常小巧的电源零组件,而且改用FPA会显着改善转换器的尺寸与重量。但最大的优势一般还是:能够取消对大容量电容的需求。
消除负载点的大电容
VTM有高转换频率、双向功率处理功能以及低输出电感,可产生极高的带宽:对负载变化的响应比最快速的同类竞争砖型DC-DC转换器快20倍。也就是说,VTM即使在频率趋近转换器带宽的情况下,作用仍很像变压器。在这些频率下,输出会「反射」输出端的输入电 容,随匝数比的平方而增大,因此不需要在负载点安放电容。大电容可向上游移动至VTM的输入,一般使用低ESR/ESL陶瓷电容器。
其他效益
FPA系统中使用的电源零组件不仅可提供高效率、低杂讯,而且还可在高切换频率下工作。这可在EMI滤波与散热应用中缩减尺寸与重量,尺寸一般可缩减30%此外,Vicor(美商怀格)还可提供诸如汇流排转换器模块(BCM)等电源零组件,为HVDC电源系统提供前端电路。将HVDC用于配电,不仅可提高效率,而且还可缩小配电所需的导体尺寸。BCM可将标称380 V HVDC电源步降至48 V,直接连接至PRM的输入,其可简化完整HVDC电源链的开发。
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