由于當(dāng)今系統(tǒng)板上的微處理器、FPGA 和 ASIC 等電子負(fù)載正朝著具有更高電流和更快瞬態(tài)響應(yīng)的更低電壓發(fā)展，因此中間總線架構(gòu) （IBA） 在基于現(xiàn)代分布式電源架構(gòu) （DPA） 的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中很常見(jiàn)，工作站和電信設(shè)備。IBA 方案通過(guò)使用稱為磚的標(biāo)準(zhǔn)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，正在幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將 DC 總線電壓進(jìn)一步降低至 12、9 或 5 V DC。這種較低的隔離直流總線電壓簡(jiǎn)化了使用高效、高密度、非隔離負(fù)載點(diǎn) （POL） 降壓穩(wěn)壓器來(lái)驅(qū)動(dòng)低壓電子負(fù)載的過(guò)程。

　　隨著這些基于 DPA 的服務(wù)器和工作站隨著時(shí)間的推移變得越來(lái)越小，在這些系統(tǒng)中啟用 IBA 方案的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器或磚也必須如此。包括四分之一磚和八分之一磚在內(nèi)的各種磚格式被部署為滿足 IBA 需求的中間總線轉(zhuǎn)換器。

　　去年，我們看到許多制造商提供具有四分之一磚1功率的八分之一磚。其中一些制造商是CUI、GE Critical Power、Murata Power Solutions和Vicor等。順便說(shuō)一句，它們都是基于模擬控制的磚，在輸出功率級(jí)中加入了硅功率 MOSFET。這些硅基第八塊磚的輸出電壓不受調(diào)節(jié)。Vicor 是唯一一家在 50 至 55 V DC輸入電壓范圍內(nèi)提供 500 W 能力的 8/8 磚供應(yīng)商。這是 1/8 磚格式中實(shí)現(xiàn)最多的，尺寸為 2.30 x 0.9 x 0.38 英寸（58.4 x 22.9 x 9.5 毫米）。然而，12 V DC其八分之一磚IB048E120T40N1-00的輸出是非穩(wěn)壓軟開(kāi)關(guān)的，輸入和輸出之間的隔離電壓為 1500 V。理論上，輸出功率為 480 W，因?yàn)?12 V 時(shí)的最大額定輸出電流為 40 A。

　　為了將開(kāi)關(guān)損耗保持在最低限度，Vicor 的第 8 塊磚使用了一種專有的基于變壓器的串聯(lián)諧振拓?fù)?，稱為正弦振幅轉(zhuǎn)換器。因此，它可以以 1 MHz 的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)，同時(shí)保持較低的開(kāi)關(guān)損耗和更小的無(wú)源器件。結(jié)果是滿載時(shí)的效率非常高，同時(shí)在負(fù)載變化時(shí)保持良好的效率。產(chǎn)品數(shù)據(jù)表規(guī)定在 25°C 環(huán)境溫度下的峰值效率為 98%（圖 1）。這種峰值性能是在 20 A 的中等負(fù)載電流和 48 V 輸入下實(shí)現(xiàn)的。在相同輸入 48 V 的滿負(fù)載下，效率下降到 97.5% 左右，在 10% 的負(fù)載下下降到 94%。

　　圖 1：Vicor 的 500 W 八分之一磚 IB048E120T40N1-00 在 48 V 輸入和 25°C 環(huán)境溫度下提供 98% 的峰值效率。

　　產(chǎn)品數(shù)據(jù)表顯示，在更高的環(huán)境溫度 55 ° C 下，峰值效率下降到 97.5%，表明即使在高工作溫度下性能也很高。在滿載時(shí)也可以看到類似的低降。由于某些直流總線的工作電壓低于 12 V DC ，因此 Vicor 的第 8 塊磚還可在 500 W 輸出下提供 48 V DC到 9.6 V DC的轉(zhuǎn)換。具有 9.6 V DC輸出的典型 500 W 部件是IB050E096T48N1-00。所有 1/8 磚轉(zhuǎn)換器都屬于制造商的 VI Brick IBC 系列。

　　GaN基磚

　　現(xiàn)在，Efficient Power Conversion Corp. 或EPC采用氮化鎵 （GaN） 路線，將寬帶隙 （WBG） 器件的優(yōu)勢(shì)帶入隔離的八分之一磚格式。事實(shí)上，它是第一家這樣做的公司。在最近于北卡羅來(lái)納州夏洛特舉行的 2015 年應(yīng)用電力電子會(huì)議和博覽會(huì) （APEC） 上，EPC 推出了一款基于 GaN 的 500 W 八分之一磚 DC/DC 轉(zhuǎn)換器演示板EPC9115。然而，與 Vicor 的硅基第八塊磚不同，基于 GaN 的 EPC9115 在 42 A 下提供完全穩(wěn)壓的 12 V DC輸出，輸入電壓范圍為 48 V DC至 60 V DC. 此外，EPC 基于 GaN 的 EPC9115 采用傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān) PWM 設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)頻率為 300 kHz。本設(shè)計(jì)中使用的增強(qiáng)型 GaN （eGaN） FET 是 60 V、2 mΩ EPC2020和 80 V、2.5 mΩ EPC2021，采用全橋配置，如圖 2 所示。eGaN FET 由Texas Instruments驅(qū)動(dòng) LM5113。

　　EPC9115 設(shè)計(jì)師兼 EPC 產(chǎn)品總監(jiān) John Glaser 表示，使用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的 1/8 磚轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，包括其控制。然而，Glaser 指出，采用傳統(tǒng)的 PWM 硬開(kāi)關(guān)拓?fù)涫乖O(shè)計(jì)和控制變得簡(jiǎn)單。Glaser 指出，除了消除輸出端的串聯(lián)電容器外，全橋還有助于將熱量散布到四個(gè)晶體管上。此外，基于 eGaN 的 1/8 磚轉(zhuǎn)換器使用 4:1 集成平面變壓器。變壓器接近最佳狀態(tài)，可最大限度地減少鐵芯損耗。

　　圖 2：EPC 的基于 eGaN 的 1/8 磚 EPC9115 使用全橋配置來(lái)消除串聯(lián)輸出電容器。

　　除了使用傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)拓?fù)渲猓朔种淮u EPC9115 設(shè)計(jì)還使用電壓模式控制，該控制結(jié)合了Microchip 16 位數(shù)字信號(hào)控制器 （DSC），例如DSPIC33FJ06GS101A-I/P，它提供了真正的 DSP 功能MCU的操作。此外，它還為控制回路設(shè)計(jì)中的實(shí)時(shí)響應(yīng)提供了許多外圍設(shè)備。Microchip 的鉑金級(jí)數(shù)字電源軟件庫(kù)和參考設(shè)計(jì)支持 DSC。控制器的片上存儲(chǔ)器允許用戶在軟件中配置第八塊磚，還可以監(jiān)控各種輸入和輸出參數(shù)。

　　EPC9115 第八塊磚在滿載時(shí)提供 96.5% 的峰值效率，即使在負(fù)載低至 5A 時(shí)也保持相當(dāng)高的效率（圖 3）。然而，基于 GaN 的第八塊磚的峰值效率比硅對(duì)應(yīng)物低一個(gè)點(diǎn)。Glaser 解釋說(shuō)，雖然 GaN 器件的損耗很低，但磁性器件的損耗相對(duì)較高，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

　　圖 3：EPC 的 500 W 八分之一磚轉(zhuǎn)換器 EPC9115 在 48 V 輸入和滿載條件下提供約 96.5% 的峰值效率。環(huán)境溫度為 25°C。

　　根據(jù) EPC 的說(shuō)法，EPC9115 作為演示板提供，以展示在傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用 eGaN FET 和 eGaN 驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建第 8 塊磚所能實(shí)現(xiàn)的高性能。盡管 500 W DC/DC 轉(zhuǎn)換器的占位面積僅為 1/8 磚，但演示板尺寸過(guò)大，可以進(jìn)行連接以進(jìn)行工作臺(tái)評(píng)估（圖 4）。有多種探測(cè)點(diǎn)，便于簡(jiǎn)單的波形測(cè)量和效率計(jì)算。該板適用于低環(huán)境溫度和強(qiáng)制風(fēng)冷的工作臺(tái)評(píng)估。

　　圖 4：EPC9115 是基于 eGaN FET 的 500 W 隔離式八分之一磚 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的演示板，在 42 A 的輸入范圍內(nèi)具有完全穩(wěn)壓的 12 V DC輸出，輸入范圍為 40 至 60 V DC。