【導讀】隨sui著zhe通tong信xin量liang呈cheng指zhi數shu級ji增zeng長chang，電dian力li成cheng本ben創chuang下xia曆li史shi新xin高gao

，數shu據ju中zhong心xin能neng源yuan成cheng本ben的de上shang限xian越yue來lai越yue難nan控kong製zhi。雖sui然ran係xi統tong設she計ji人ren員yuan一yi直zhi在zai努nu力li在zai不bu按an比bi例li增zeng加jia功gong耗hao的de情qing況kuang下xia獲huo得de更geng多duo的de數shu據ju吞tun吐tu量liang
，但dan也ye麵mian臨lin著zhe同tong樣yang的de壓ya力li，需xu要yao從cong電dian力li輸shu送song係xi統tong中zhong擠ji出chu更geng好hao的de效xiao率lv，以yi減jian少shao損sun失shi、隨之而來的成本和冷卻係統開銷。功率轉換器設計師的反應是生產效率更高的產品，值得注意的是
，盡管自2010年以來中心工作量增加了約10倍，但到2020年，能源使用基本持平（圖1）。

圖1：即使流量呈指數級增長，數據中心的能源使用仍保持不變。資料來源：IEA

然而，功率轉換硬件效率的增量收益越來越難找到，因此

，能源使用及其成本將開始遵循指數流量趨勢
，並產生重大的財務影響。

還有一個杠杆

雖然功率轉換器的效率達到95%+以上，例如，同步整流器和諧振拓撲被廣泛使用，但還有另一個杠杆需要拉動——輸入和輸出電壓以及負載電流的不同組合的效率曲線形狀。這永遠不會是平坦的（空載時為零！）而且它必須在I2R損(sun)耗(hao)開(kai)始(shi)占(zhan)主(zhu)導(dao)地(di)位(wei)的(de)高(gao)負(fu)載(zai)下(xia)結(jie)束(shu)，所(suo)以(yi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)設(she)計(ji)者(zhe)可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)在(zai)哪(na)裏(li)使(shi)其(qi)達(da)到(dao)峰(feng)值(zhi)
，也(ye)許(xu)是(shi)在(zai)滿(man)載(zai)時(shi)？或(huo)者(zhe)可(ke)能(neng)是(shi)假(jia)定(ding)的(de)典(dian)型(xing)載(zai)荷(he)？

問題是


，設計者不一定知道係統架構師內置了什麼樣的負載降額（如果有的話）

，可ke以yi應ying用yong什shen麼me樣yang的de輸shu入ru電dian壓ya
，如ru果guo可ke以yi調tiao整zheng，可ke以yi設she置zhi什shen麼me樣yang的de輸shu出chu電dian壓ya。此ci外wai，電dian力li鏈lian中zhong的de其qi他ta轉zhuan換huan器qi
，可ke能neng來lai自zi不bu同tong的de製zhi造zao商shang，幾ji乎hu可ke以yi肯ken定ding在zai不bu同tong的de設she定ding電dian壓ya和he負fu載zai下xia具ju有you峰feng值zhi效xiao率lv。

當談到電力係統的效率時，目標可能是移動的（不同的負載
、輸入/輸出電壓）
，但目標是在任何一點上創造高效率。

為什麼效率隨輸入/輸出電壓比變化

值得考慮的是

，典型功率轉換器的效率如何變化以及為什麼會變化。在數據中心直流配電係統中
，有“總線”轉換器
，將更高
、可變的電壓（可能為40-60V）下變頻至規定的12V，為非隔離的“負載點”（PoL）轉換器供電
，該轉換器為終端負載（通常為1V以下）提供最終電壓。

總(zong)線(xian)轉(zhuan)換(huan)器(qi)中(zhong)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)處(chu)理(li)輸(shu)出(chu)的(de)基(ji)本(ben)縮(suo)放(fang)，但(dan)要(yao)處(chu)理(li)較(jiao)大(da)的(de)輸(shu)入(ru)變(bian)化(hua)，開(kai)關(guan)占(zhan)空(kong)比(bi)必(bi)須(xu)以(yi)相(xiang)同(tong)的(de)比(bi)例(li)變(bian)化(hua)。在(zai)通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)的(de)橋(qiao)接(jie)電(dian)路(lu)中(zhong)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)單(dan)個(ge)開(kai)關(guan)占(zhan)空(kong)比(bi)的(de)變(bian)化(hua)從(cong)略(lve)低(di)於(yu)50%到小於25%
，以允許公差、電壓浪湧和“停滯時間”。

在低壓線路和最大占空比下

，平均電流和均方根電流較高
，開關通道
、磁性繞組和互連中的I2R損(sun)耗(hao)增(zeng)加(jia)。在(zai)高(gao)輸(shu)入(ru)和(he)最(zui)小(xiao)占(zhan)空(kong)比(bi)下(xia)，平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)低(di)於(yu)低(di)線(xian)路(lu)，均(jun)方(fang)根(gen)值(zhi)較(jiao)低(di)，但(dan)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)因(yin)電(dian)路(lu)和(he)器(qi)件(jian)電(dian)容(rong)在(zai)較(jiao)高(gao)電(dian)壓(ya)下(xia)的(de)充(chong)放(fang)電(dian)而(er)增(zeng)加(jia)。

此外
，對於恒定功率，峰值電流在任何占空比下都是恒定的，因此在高電壓下，開關邊緣上的任何電流/電壓重疊都會產生更高的損耗。輸入/輸出電容器ESR中的紋波電流和隨後的損耗在高壓線處也是最高的，例如，電橋兩個支路中每個支路的25%占空比僅相當於輸入電流傳導時間的50%，表示高電容器紋波電流。在低壓線路，整體有效占空比接近100%或直流，紋波電流小，ESR損耗低。

負載點轉換器可能具有極高的轉換比

負載轉換器（或穩壓器模塊）的非隔離點的效率與負載和電壓轉換比的變化相似，但情況往往更為極端，10:1的比率並不少見，例如從12V到1.2V或10%的工作占空比。當紋波電流設置得很低時，如果高壓側和低壓側開關具有相同的導通電阻，則它們的綜合損耗在50%的占空比下達到最大值。

然而，通常允許電感器峰間紋波電流較高
，可能是負載電流的50%
，以獲得更好的環路響應和更小的尺寸。在高轉換率下，這會相對增加更多的傳導損耗，從而使效率曲線變得“平坦”。

圖2是一個示例。低壓側開關可以選擇導通電阻較低的開關，以獲得一些好處。在圖2的示例中
，如果低端FET為50而不是100毫歐姆，這將相對減少高占空比下的損耗
，這可以再次用於塑造效率曲線。

圖2：PoL開關在不同占空比下的電流波形示例，對應於固定輸出電壓下的高輸入電壓和低輸入電壓、5A負載以及10%占空比下的5A pp紋波

多種因素影響效率曲線的形狀

其他因素會影響總線和PoL轉zhuan換huan器qi在zai不bu同tong條tiao件jian下xia的de效xiao率lv曲qu線xian形xing狀zhuang
，例li如ru反fan向xiang恢hui複fu期qi間jian的de磁ci性xing損sun耗hao和he體ti二er極ji管guan損sun耗hao
，因yin此ci峰feng值zhi效xiao率lv的de條tiao件jian很hen難nan確que定ding。這zhe意yi味wei著zhe實shi際ji上shang，轉zhuan換huan器qi製zhi造zao商shang將jiang測ce量liang實shi際ji值zhi並bing提ti供gong繪hui圖tu，或huo提ti供gong模mo擬ni工gong具ju，如ruFLEX Power Designer軟件。

在分布式DC母線係統中，輸入由外部因素設置，最終PoL輸出電壓是負載所需的電壓，但中間電壓（通常為12V）可以改變
，以找到一個“最佳點”
，在該“最佳點”中，特定負載條件下的總效率最大化。為了實現這一點，現代穩壓中間總線轉換器可以動態編程
，通常由PMBus在一定範圍內進行編程。

例如，FLEX Power Designer設置為使用FLEX Power模塊BMR491總線轉換器，以12V輸出供電BMR467/469 POL，BMR491上的負載為1100W
，POL上的負載約為1000W。該軟件的總體效率為88.25%。如果中間母線電壓降低至10.3V
，則效率變化可忽略不計（圖3）。

如果將BMR491輸出設置為8V，以嚐試發現效率的顯著提高，因為POL顯示為恒功率設備，則輸出電流將增加到137.5A，遠遠超過BMR491的最大連續額定值108.3A。

圖3：FLEX Power Designer軟件的屏幕截圖，顯示了選定母線電壓下的係統效率

如果我們現在考慮440W的較輕負載條件
，軟件計算出12V時效率為86.7%
，10.3V時效率為87.6%，8V時效率為88.45%，在最低電壓下顯著節省1.72%。在8V和440W時

，電流為55A，在BMR491額定值範圍內。

顯然

，在這些較輕的負載條件下

，降低中間母線電壓是有利的，通過PMBus®控製，這可以動態完成

，因為BMR491“知道”其輸出電流
，並可以將其傳遞給外部控製器

，該控製器可以響應降低母線電壓的指令。在更先進的係統中，即使PoL/VRM也可以向外部控製器提供實時數據，以便進一步微調。

負載可以快速變化

raner，suizhechulixuqiudebianhua，fuzaikeyikuaisushangshenghexiajiang，yinci，ruguozaiqingfuzaiqingkuangxiajiangzongxiandianyashezhiweijiaodi，weiletigaoxiaolv
，fuzaikenenghuituranzengjiadaozuida。zaiBMR491及其控製器對增加電壓作出反應之前，電壓較低且電流高於中器連續額定值的時間將很短。BMR491可以應對這種情況，因為它的浪湧負載額定值為1850W或155A峰值，因此我們的例子是1100W滿載，8V輸出產生137.5A，很容易在短時間內滿足。

行業中的所有浪湧周期都不相同。有些比另一些短。為了實際有用，建議浪湧周期大於100毫秒。更長的周期也會降低對控製器速度的要求，並可以減少PMBus流量。

總結

效xiao率lv節jie約yue的de每mei一yi個ge百bai分fen點dian都dou是shi值zhi得de的de，通tong過guo了le解jie功gong率lv轉zhuan換huan器qi效xiao率lv隨sui負fu載zai和he設she定ding電dian壓ya變bian化hua的de詳xiang細xi變bian化hua
，可ke以yi在zai功gong率lv損sun耗hao最zui小xiao化hua的de地di方fang找zhao到dao係xi統tong“最佳點”。FLEX Power Designer軟件充分描述了FLEX Power模塊產品的特性，因此用戶可以“虛擬”探索操作條件，然後在真實世界中，通過數字接口動態控製轉換器電壓
，以跟蹤效率曲線中的高點。

作者：Oscar Persson  來源：PSD功率係統設計

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