PCB空间约束?中间总线转换器如何提供帮助
7月7日，2020年经过Tamara Lin，英特尔中间总线架构是一种新兴的方法，电力设计人员正在使用以节省PCB空间。本文讨论了采用此技术的解决方案福利和权衡，以及如何进行扩展以解决特定于应用程序的要求。
电力电子领域已经成为一个成熟的，高度研究行业可以追溯到100多年前通过Peter Cooper Hewitt在1902年的汞-弧整流器发明的发明。这些整流器的发明之后是1926年的热阴极气体管整流器，1948年的晶体管，1956年的P-N-P-N硅晶体管，1980年的IGBT等等。在21世纪，电力电子产品继续在清洁能源，电动车辆和服务器应用领域发展。这些新兴产业的增长需要电力设计人员寻找新的和创新的解决方案，以满足不断变化的要求，要求更小，更具成本效益的解决方案。
在电力应用中，中间总线转换器(IBC)的使用就是这样一种新兴的架构。虽然分布式电力架构(DPA)已经成为负载点(POL)设计的行业标准，但利用中间总线架构(IBA)是一种新兴的方法，使设计者能够缩小解决方案的规模，并使用低成本的POL转换器。POL转换器是接近负载的降压DC-DC转换器，最小化阻抗并提供精确的电压供应。它们可以是电源模块，如Intel®Enpirion®powersoc，或离散降压转换器。使用IBA为POL转换器供电通常可以降低成本和较小的解决方案规模，同时保持具有竞争力的系统效率。
图1。一级传统分布式电力架构与2级中间总线架构
使用IBA OVER DPA的优点取决于转换的电源轨数，导致更多的轨道，产生更多空间和成本节约。根据使用的POL转换器，系统效率可以保持竞争力。
表1。IBA和DPA权衡的比较
| IBC架构 | DPA架构 | |
| 成本 | 由于较小的电感器和POL转换器，降低了成本 | 由于需要更高的电压工艺技术和电感，成本更高 |
| 效率 | 由于第一级转换的功率损失，导致系统效率降低 | 缺乏中间阶段的更高系统效率 |
| 解决方案规模 | 较小的总溶液尺寸 | 较大的总溶液尺寸 |
| 功率密度 | 更高的功率密度解决方案 | 低功率密度解决方案 |
| 轨道数量 | 非常适合与> 3+输出rails一起使用 | 理想的使用与< 3输出轨道 |
在下面的讨论中，Intel EC2650QI 12-To-6 V中间总线转换器和英特尔Enpirion PowerSoc将用作设计示例。
表2.英特尔ENPIRION EC2650QI 12-TO-6 V中间总线转换器
| 规格 | 特性 |
| Vin: 8 - 13.2 v | 高达94％的效率 |
| Vout：vin / 2 | 0.9毫米的高度 |
| 6连续输出电流 | 36 W每台总线转换器输出功率 |
| 150mm²溶液尺寸 | 可并行(144w总功率可达4个) |
多级功率转换方法需要更少的PCB空间
当在1级方法中直接从12V转换时，使用的后续12 V DC-DC功率转换器需要20 V或更高的过程技术来承受更大的输入。较高的电压过程是必要的，以保证由于电压尖峰而在操作范围和设备故障之间的足够裕度。电压过程越大，器件越大，在内部晶体管的漏极，源极和晶体管的栅极之间需要更多空间。
相比之下，采用两阶段的方法，首先从12v降至6v，可以降低下游POL模块的输入。低输入电压模块通常更小，价格更有竞争力，因为它们只需要10v工艺技术，不需要内部电路来处理这些更高的输入电压。
另外，在从较高输入电压转换时，电感器必须能够在每个开关周期期间处理电压差。当直接从12V踩下时，需要更高的电感或更高的开关频率来最小化输出纹波。通常，电力设计人员选择实施更高的电感，因为更高的开关频率通常意味着更高的功率损耗和效率降低。然而，该较高电感转换为围绕电感器的磁芯的更多绕组，这增加了电感器的物理尺寸。使用IBC降压从12 V到6 V，而是允许设计人员实现类似的纹波，而无需增加每个POL的电感的物理大小。
高效的设计解决方案尽管两阶段转换罚款
在两阶段方法中，系统的整体效率很大程度上依赖于母线转换器的效率。为了避免常见的两级功率转换的损失，设计人员应该选择高效的IBC，如EC2650QI，它通过使用开关电容拓扑提供高达94%的转换效率。
例如：
在1级直接转换方法中，使用英特尔EN2340QI将12 V至3.3V转换为92％。
图2。效率曲线的英特尔Enpirion EN2340QI给定Vin 12V。
在一个2级方法中，使用英特尔EC2650QI将12 V至6 V转换为94％。
- 然后，使用英特尔EN6340QI将6 V至3.3V转换为95％。
- 最后，2级方法的总效率是：0.94×0.95 = 89.3％。
图3。英特尔ENPIRION EC2650QI的效率曲线给出了12V的VIN。
图4。INTEL ENPIRION EN6340QI的效率曲线给出了5V的VIN。
在对比92%和89.3%时，我们看到IBC造成了一些在直接转换方法中不存在的额外效率损失。然而，对于一些电源设计器或应用程序来说，节省的空间可能超过了效率上的折衷。
这种效率损失可以通过几种设计选择进一步减轻，同时仍然保留使用IBC所节省的空间。电源设计人员可以选择在低电流轨道上专门设计IBC，这将减少额外的瓦数损失。他们也可以选择更大的转换器，这可以使整体设计更有效率。使用IBC使工程师能够扩展他们的设计选择，以找到一个完美平衡他们的规模约束、效率需求和成本需求的体系结构。
系统设计师何时应该选择使用IBA进行设计?
一般来说，电力设计人员应考虑IBA，当它们具有严格的解决方案规模或成本要求时，效率的一些灵活性。特别是，在转换3个或更多导轨时，使用这种2级方法通常是最有益的，因为较小的解决方案尺寸和更低的成本的益处变得越来越明显。如上所述，可以缩放和适于满足特定设计要求的IBC架构。
例如，如果我们使用Intel En2342Qi进行以下四个栏杆，则估计的系统效率约为87％，总溶液尺寸为800mm²。如果我们使用具有四个较小的POL转换器的IBC，估计的系统效率约为84％，总溶液尺寸为390mm²。2级方法具有可比的效率，同时需要不到一半的PCB空间，节省空间增加了51％！随着每台额外的栏杆，节省空间平均为100mm²，节省成本更高。
图5。使用小pol的1阶段IBC体系结构和2阶段IBC体系结构的功率树示例
表3.总效率和解决方案尺寸的系统级比较
| 使用大型污水1级 | 2级使用小滴水 |
| 效率：〜87％ | 效率：〜84％ |
| 总溶液尺寸：800mm² | 总溶液尺寸：390mm² |
对于某些设计人员来说，急剧空间和成本节省可以补偿系统效率的降低。然而，通过将一些小的POL转换器代替更大的POL转换器，可以进一步调谐和改进效率，如以下示例。
图6。使用小型和大型pol的1阶段IBC体系结构和2阶段IBC体系结构的功率树示例
表4.总效率和解决方案尺寸的系统级比较
| 使用大型污水1级 | 两阶段使用小型和大型pol |
| 效率：〜87％ | 效率:~ 85% |
| 总溶液尺寸：800mm² | 总溶液尺寸：590mm² |
在上面的示例中，我们用更大，更高效的EN6362QI转换器替换了两个小EN6340QI POL转换器。在这样做之后，与DPA方法相比，效率增加到超过85％，仍有26％的解决方案尺寸。
IBA为定制解决方案提供额外的设计工具
总之，IBA为工程师提供了额外的设计工具和独特的机会，以自定义满足其特定需求的解决方案。包含中间总线转换器允许电源设计人员使用需要较低电压处理和电感的模块。这些变化直接转化为较小的总解决方案尺寸。
通过使用高效IBC并制作特定于应用的设计选择，可以减轻从附加阶段丢失的任何电源。一个这样的示例是英特尔enpirios EC2650QI，它可以与最多四个设备并联，以创建144 W总线，每个设备在总溶液尺寸中只需要150mm²。
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