絕大多數機電負載或半導體負載都要穩定的DC-DC電壓轉換及嚴格的穩壓，才能可靠運行。執行該功能的DC-DC轉換器通常稱作負載點（poL）穩壓器，設計時具有最大輸入電壓及最小輸入電壓規格，其規格含義了它們的穩定工作范圍。這些穩壓器的供電網絡（pDN）的復雜性可能會因負載的數量和類型、整體系統架構、負載功率級、電壓等級（轉換級）以及隔離和穩壓要求的不同而不同。

許多電源系統設計人員將穩壓的DC-DC轉換器視為整體設計的關鍵。但將合適的電壓供應給負載點穩壓器，不一定都要pDN穩壓，或者關于中間配電母線電壓而言pDN穩壓并不那么重要。考慮這一點時，電源系統工程師應該考慮應用固定比率DC-DC轉換器，它可顯著的提升pDN的整體性能。

如何優化供電網絡

pDN性能通常以功耗、瞬態響應、物理尺寸、重量及成本來衡量。影響pDN性能的一個重要設計挑戰是電壓轉化的比例和高精度的線/負載調整率。工程師花了大量的時間來處理大量不同的輸入/輸出電壓轉化率，動態調整率以及分布特性來提高性能和可靠性。

假如系統負載功耗處于千瓦級范圍內，采用高壓設計大容量pDN，可減少在系統中的電流等級（p=V?I），因此可以縮小pDN尺寸，減輕重量并降低成本（線纜、母線排、主板銅箔電源層）（pLOSS=I2R）。在轉換為低壓/大電流前，最大限度延長高電壓運行時長，盡可能接近負載，是一大優勢。

但要讓高壓、高功率pDN接近負載，則要具有高效率及高功率密度的DC-DC轉換器。假如輸入至輸出電壓轉換比例很大，例如800V或400V轉48V，最高效率的轉換器是供應非穩壓的固定比率轉換器。這些高效率的轉換器，不僅可供應更高的功率密度，而且還因較低的功耗，可供應更便捷的熱管理。

何為固定比率轉換器？

固定比率轉換器的工作原理與變壓器類似，但它執行的不是AC-AC轉換，而是DC-DC轉換，輸出電壓為DC輸入電壓的固定比例。與變壓器相同，這種轉換器不供應輸出電壓穩壓，輸入至輸出變壓由器件的“匝數比”決定。該匝數比稱為K因數，表示為一個相關于其電壓降壓能力的分數。K因數從K=1到K=1/72不等，可根據pDN架構及poL穩壓器設計規范進行選擇。

圖A：雙向固定比率轉換器的工作原理。K=1/16的降壓換器，也可用作K=16/1的升壓轉換器。

典型pDN電壓有低電壓（LV）、高電壓（HV）和超高電壓（UHV）。

固定比率轉換器電壓類別

LV48V、28V或24VHV380V、270VUHV800V、600V、540V

固定比率轉換器可以是隔離的，也可以不是隔離的，而且可通過反向電壓轉換實現雙向功率流。例如，一款支持雙向功能的K=1/16固定比率轉換器可以作為一款K=16/1的升壓轉換器。

額外的設計靈活性包括易于并聯（可滿足更高功率的電源要求）和串聯轉換器輸出的選項（可通過有效改變K因數，供應更高的輸出電壓）等。

圖B：BCM轉換器易于并聯，滿足更高的電源需求。

眾多終端市場及應用的電源需求急劇上升，因此供電網絡正在經歷重大變革。由于新特性的新增以及性能水平的不斷提升，更高的pDN電壓（如48V）正在用于電動汽車、輕型混合動力車以及插電式混合動力汽車。48V符合許多系統要求的安全電氣低電壓（SELV）標準，而p=V?I和pLOSS=I2R的簡單電源方程式也說明了高壓pDN效率更高的原因所在。

圖C：輸出串連以提高輸出電壓的BCM可實現更高的設計靈活性。

關于給定功率級而言，與12V系統相比，48V系統電流為1/4、線路功耗低為1/16。在1/4的電流下，線纜和連接器可以更小、更輕，而且成本也會更低。用于混合動力汽車的48V電池功率是12V電池的4倍，新增的電源可用于動力系統應用，以減少二氧化碳排放，提高燃油里程數并新增新的安全及娛樂特性。

在數據中心機架中新增了人工智能（AI），使機架電源需求提高到了20kW以上，因此12VpDN的使用既笨重，效率又低。使用48VpDN，可獲得與混合動力汽車相同的優勢。在汽車及數據中心應用中，最好保留原有12V負載及pOL常用降壓穩壓器，以最大限度減少要修改的內容。

使用非隔離固定比率轉換器解決實際問題

48V符合SELV標準，因此非隔離固定比率轉換器是48V至12VDC-DC轉換級的理想之選，因為當前的poL12V穩壓器能夠應對輸入電壓的變化。非隔離、非穩壓固定比率轉換器是最高效的高功率母線轉換器，可實現更低功耗、更高功率密度以及更低的成本。這一高密度有助于最新分布式配電架構用于混合動力汽車，其中非隔離固定比率轉換器可布置在負載旁邊，因此可在汽車周圍最大限度運行更小、更高效的48VpDN。在刀片服務器中，這種小型非隔離式48V至12V固定比率轉換器可以布置在靠近降壓穩壓器的主板上。

許多全新AI加速卡（如NVidia的SXM以及開放式計算計劃（OCp）成員的OAM卡）都設計有48V輸入，因為AI處理器功率級在500至750W之間。要讓依然在其機架中使用12VpDN背板的云計算及服務器公司使用這些高性能卡，就要實現12V至48V的轉換。在這些加速卡上（或在更高功率的分布式12V至48V模塊中）新增一款雙向K=1/4非隔離固定比率轉換器，作為12V至48V升壓轉換器（K=4/1），可輕松將AI功能帶入老式機架系統。

圖D：原有系統的48V電源

VicorNBM2317可將48V高效轉換為12V，也可將12V高效轉換為48V，因為NBM是一款雙向轉換器。雙向性可將原有電路板整合在48V基礎架構中，也可將最新GpU整合在原有12V機架中。

如何滿足要隔離功能而且要求苛刻的高電壓應用需求

電動汽車

在電動汽車應用中，電源需求決定了電池電壓必須遠遠高于目前混合動力汽車使用的48V，通常選擇400V。400V轉換為48V，配送給動力總成及底盤周圍的不同負載。為支持快速充電，400V電池由供應穩壓800VDC輸出的充電站通過800V至400V轉換器充電。

圖E：分布式48V架構將多個功耗更低的更小轉換器布置在接近12V負載的位置。

在400V/48V及800V/400V應用中，由于功率要求高，可有效地使用具有高功率密度、效率在98%以上的隔離式K：1/8（400/48）及K：1/2（800/400）固定比率轉換器并聯陣列。穩壓可在固定比率轉換器級前面或者后面供應。未穩壓的功率密度及效率提升，不僅在這一極高功率應用中的這個位置效果顯著，而且還可簡化熱管理。

高性能計算

高性能計算（HpC）系統機架功率級通常高于100kW，因此使用380VDC作為重要pDN。在這些應用中，K：1/8與K：1/16的隔離式固定比率轉換器集成在服務器刀片中或通過機架配電的夾層卡上，為主板供應48V或12V電源。隨后由12V多相降壓轉換器陣列或更高效率的高級48V至pOL架構供應穩壓。固定比率轉換器的密度和效率又一次在實現這類pDN架構中發揮重要作用，可實現高性能。

系留無人機

另一項要隔離的高電壓應用就是系留無人機。系留無人機的電源線長度可能會超過400米，無人機必須將其提起并保持，才能達到其飛行高度。使用800V等高電壓，可顯著縮減這些笨重電源線的尺寸、重量和成本，從而可實現性能更高的無人機。使用板載固定比率轉換器（一般K=1/16）轉換至48V，可供應非常高效的極小供電解決方案，充分滿足機載電子產品及視頻有效載荷的需求。

圖F：電壓越高，電線就越輕，系留無人機飛得就越高。

5G通信

現在，全世界的都在提升4G無線電和天線塔為之前4G設備5倍的最新5G系統。4GpDN為48V，通過線纜從地面電源系統供應。新增5G設備，功率級顯著提升，假如pDN要保持在48V電壓下，那直徑就會非常大，電線就會很重。電信公司正在研究使用380VDCpDN的優勢，以顯著縮小線纜尺寸。在升壓模式下使用雙向K1/8固定比率轉換器，地面48V電源系統可向塔頂供應380V的電源（K：8/1）。4G和5G系統在塔頂使用380V至48V穩壓轉換器，不僅可獲得48V穩壓電源，而且還可通過380V細小電線實現更低成本的供電。

固定比率轉換器為高性能應用供應高度靈活的pDN設計

高性能電源需求在不斷上升。公司及高性能計算高級系統、通信與網絡基礎設施、自動駕駛汽車以及大量交通運輸應用只是要更多電源的高上升產業中的幾個。這些市場有一個共同的特點：每個市場都有極大的電力需求，它們都可從高功率密度的小型DC-DC轉換器解決方案中獲益，節省空間并減輕重量。電源系統工程師應當把固定比率轉換器作為實現更高性能pDN的重要高靈活解決方案，以在整體系統性能方面獲得競爭優勢。

作者philDavies，Vicor公司全球銷售及市場營銷副總裁

Vicor是一家領先的全球電源模塊技術公司，始終致力于為電源系統設計人員供應高級、高性能模塊化解決方案，幫助他們應對最艱巨的電源設計挑戰。我們始終站在配電架構、轉換拓撲及封裝技術的最前沿，不斷提高Vicor電源模塊的密度、效率和供電能力。此外，我們還可為我們的基礎設施、工業及汽車應用客戶帶來競爭優勢，幫助他們快速推進其獨特的電源系統設計。