中间总线结构的局限性

由于最近中间总线结构(IBA)受到普遍重视(如图1所示),因此很容易产生这样的错觉,即中间总线结构将取代在PCB上提供多路电压输出的所有传统方法。在许多特定情况下,采用IBA结构确实会使电源解决方案的体积、效率和成本有很大改善,但在另外一些情况下,这些参数中的某项或多项却可能变得更差。因此必须根据不同的设计情况来决定是否使用IBA,下面讨论必须考虑的一些问题。

首先,要确定是否真正需要使用中间总线。在有些PCB上,电源功率水平特别高(例如500W),因此通过较高电压(如12V)进行功率传输以保持低电流水平就变得十分必要。然后,在靠近负载点的地方利用非隔离变换器将电压降到所需要的逻辑水平。但经常发生的情况是,由于逻辑电路的敏感性或者需要将负载附近的电路板空间用于逻辑互连,从而无法将非隔离变换器放在离负载比较近的地方。随着非隔离变换器和负载之间距离的增加,中间总线的价值也逐渐减小。在极端的情况下,如果非隔离变换器放在离总线变换器不远的PCB边缘,那么中间总线本身根本无法提供什么直接价值。

第二,输入电压的特性也影响到总线变换器的性能。对于输入电压波动范围很小的系统(如48V±10%),总线变换器就不需要稳压,它只提供电气隔离和固定的降压比。因此,这种类型的总线变换器效率非常高,并且可以在较小的封装内处理较大的功率。例如,SynQor公司提供的一款1/4砖总线变换器(参看图2)能够以96%的效率提供12V下240W的电源功率,而且在60℃和200 LFM气流下没有功率降低的现象(请参考效率和功率降低曲线图3和4)。但是如果输入电压范围比较宽(如36V~75V),那么变换器就可能需要稳压功能,目前此类变换器产品中最好的产品效率仍然较低,并且其功率密度仅有SynQor总线变换器的一半左右。因此,这种情况下采用中间总线结构的总成本就相对更高了。

第三,需要确定是购买成品的非隔离变换器模块还是自己直接在PCB上设计所需要的非隔离变换器。对于后一种情况,材料和直接制造成本低于购买成品模块的价格,因此似乎能够节约相当的成本。但是,这样做的代价是所获得的变换器不是经过预测试的直接可用的解决方案。为此必须投入相当的工程资源完成设计、进行器件质量保证,同时还必须针对生产和现场使用过程中不可避免的故障现象进行无休止的设备和问题分析。虽然这方面的工程成本难于计算,但成本确实非常可观。

在决定非隔离变换器的设计时,一个有趣的问题是如何优化中间总线电压来获得最佳的总体系统效率。随着总线电压从12伏降至9伏或7伏,非隔离变换器的效率可以更高,但总线变换器却并非如此。并没有一个适用于所有情况的最佳总线电压存在,究竟采用什么电压取决于特定的电压和电源功率要求。如果购买成品非隔离模块,优化中间总线电压是不可能的,因为标准产品要么是采用12V输入电压,要么就是3.3V~5V(这就有点太低了)。

第四,IBA结构相对于传统方法的价值依赖于PCB上所需要的功率/电压水平组合情况。例如,如果需要四路输出电压,每路功率为40~50瓦,那么传统的方法通常是采用四个隔离1/8砖变换器,而IBA方法可能需要一个1/4砖总线变换器和6个非隔离变换器(对于要求较大电流的负载,可能需要非隔离变换器并联使用)。就目前的市场价格来看,IBA方案的成本比采用四个独立隔离变换器的方案约低10~20%。
然而,如果四路输出中包括两路大功率输出(如3.3V@30A和1.8V@40A)和两路低功率辅助输出(如2.5V@3A和1.5V@5A),那么传统方案可能使用两个隔离1/4砖变换器来获得3.3V和1.8V输出,两个非隔离变换器利用3.3V输出做为输入来获得辅助电压输出。这种情况下,成本优势正好反了过来,传统方案比IBA方案成本要低10~20%左右。原因是隔离变换器价格的增加并不与功率水平成正比,因此数量少的大功率变换器成本要比多个低功率变换器低。

此外,如果真想通过自己设计非隔离变换器来节约金钱的话,那么利用上面提到的后一种情况可能更为容易,因为其中辅助电压所需要的功率水平相对低得多。

总之,在某些情况下,IBA是一种非常有效的方法,特别是对那些要求总功率较高、输入电压稳定并且需要每路功率差不多的多路输出情况。如果自己直接在PCB上设计并制作非隔离变换器有困难,那么IBA方法更为合适。但对于目前使用的许多系统电源要求来说,IBA产品并非总是最佳的选择。