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1、分布式电源架构与分解动力系统的介绍光通信交换机构成了现代电信和数据通信基础设施的支柱。在过去的几十年里，他们已经看到了架构的巨大变化，因为它们变得越来越强大。它们将高性能光学控制与基于最先进半导体工艺的并行数字处理相结合。结果，系统需要大量的电源域，其中许多电源域提供高电流和低电压的组合。为了适应现代通信枢纽，电力系统需要高效。随着电压的降低，对效率的需求迫使能源发送到每个处理器和光收发器模块的方式发生了变化。在20世纪90年代，许多电信系统使用的电力传输架构改为分布式电源架构。其中48 V电源被提供给位于线卡和其他计算元件的大量DC/DC转换器。这种趋势是由电压的逐渐降低和电流的增加所驱动的
2、，以及对电源排序的更多控制，以允许模块的热插拔。分布式电源架构是在假定存在的情况下设计的。每块板通常只有一个或两个不同的负载电压。对于大多数48 V系统，需要在较高的配电电压和目标电压之间提供隔离。隔离的转换器往往比它们的非隔离等效物更大且更昂贵。隔离阶段需要变压器，而大多数非隔离设计可以简单地使用电感器。此外，转换器的PCB设计更复杂，因为在转换器电路需要提供准确控制的初级侧和次级侧之间的控制信号之间需要隔离屏障。然而，即使是分布式电源架构限制了可支持的电源轨数量的灵活性。利用隔离转换器提供两个以上的输出电压需要大量空间并且迅速变得昂贵。用于光网络系统的高密度现场可编程门阵列（FPGA）和处
3、理器通常具有复杂的功率要求，涉及大量低压供电轨。例如，高密度FPGA上使用的串行收发器对核心结构使用的串行收发器有不同的要求，可能与用于通用I/O的要求不同。图1：分布式电源和中间总线架构。解决该问题的一种方法是使用级联电源转换器，使用48 V至5 V模块为一组非隔离降压稳压器供电并降低产生所需电压的压差调节器（LDO）。通过采用中间总线架构（IBA），这种方法已经形成，该架构允许使用更好地调整整体效率的电压轨。IBA引入了另一层DC/DC转换器可以靠近每个负载放置。在许多系统中，基于IBA的电源系统包括一个前端AC/DC电源，典型输出为24 V或-48 V.该电压提供给中间总线转换器，该转换
4、器提供隔离和转换为较低的 - 电平中间总线电压，通常在5 V至14 V范围内。 12 V导轨是常见的选择。该中间总线电压提供给非隔离负载点（POL）稳压器，为各种数字和模拟电子模块提供高质量电压，工作电压范围为0.5至5 V.IBA降低了系统成本，因为它减少了所需的隔离式DC/DC转换器的数量;消除隔离的需要降低了POL调节器的复杂性和成本。相反，由于POL调节器向目标设备提供精确的调节电压，因此对中间总线转换器的调节约束可以显着降低。由于POL稳压器安装在非常靠近目标器件的位置，因此调节质量更高，并降低了在低电压下提供高电流所带来的损耗。中间转换器通常也可以承受从AC/DC电源到其DC输入的
5、适度变化，这可以节省前端整流器的成本。较旧的电源设计倾向于提供峰值功率下的最高效率。但是，这并不反映许多网络系统的正常使用。大多数将具有不同的活动水平，并且还将指定其电力系统以应对高峰值水平，但将花费大部分时间在满负荷下运行。此外，使用N + 1拓扑结构来提供冗余意味着如果其中一个转换器发生故障，功率转换器将仅接近峰值电平。因此，中间总线转换器被设计为在较低负载下提供更好的效率，通常低至最大输出的三分之一或四分之一。CUI的NQB-D和NQB-N系列完全调节的中间体总线转换器在半负载时提供96.4的效率。每个转换器都使用行业标准的四分之一砖形状因子，以提供高达每平方英寸140 W的功率密度。这
6、些转换器具有高达2250 VDC的输入至输出隔离。GE Critical Power的Barracuda系列DC/DC转换器旨在支持中间总线架构，提供对其12 VDC输出的完全调节。例如，QBVW033A0B的输入电压范围为36至75 VDC，输出电流高达33 A.它采用标准的四分之一砖外形，并使用同步整流来帮助实现超过96的效率，即使是最大电流的三分之一。新型封装和设计效率使得电源可以在没有散热器的情况下在许多应用中使用。Power-One QME48T20120设计用于在低电感电源总线上提供无输出电容的稳定性，可提供高达20 A的电流。 48 V输入时为12 V.它采用四分之一砖单元，可提
7、供高达2 kV的隔离，无需散热器即可使用，以减少对系统气流的影响。其设计可将满负荷的四分之一提高到一半。另一种可能性是TDK Lambda的Asceta iQG电源模块。这也基于四分之一砖外形，效率高达96，可提供高达33 A的电流。向IBA的转变为电源转换电路的创新提供了机会。根据输入电压范围和电子系统的电压要求，中间总线电压还有其他可能的选择，而不是12 VDC。当然，对于最佳提供良好电压调节的决策存在潜在的权衡。处理器和内存子系统中电压水平的持续下降推动了Vicor推出的分解功率架构。它采用了不同的中间总线架构方法，利用减少中间总线本身的调节量。图2：分解动力系统的结构。分解动力系统旨在
8、最大限度地提高轻载条件下的效率，并在峰值条件下保持效率。使用此策略，总线转换器模块取代了12 V输出砖。虽然某些型号提供12 V输出，但它们可提供高达48 V的输出电压，以利用减少的损耗，并使用380 VDC输入工作。这些模块设计为使用类似于多相功率转换器中的相位脱落的机制并行操作。在轻载条件下，一个或多个总线转换器模块将关闭而不是以低效率运行。提供从48 V降至1 V或更低功率以降低功率的能力 - 边缘处理器和FPGA，POL转换器分为两部分。 “分解”这个名称来自决定在POL部分中分离电压调节和电压转换的作用。隔离向下游移动到电压转换模块（VTM），该模块设计用于将直接上游预调节器模块（PRM）提供的-48 VDC调节电压转换为目标电压。由于VTM设计用于以固定比率转换电压，因此PRM对调节命令作出反应，调节其输出电压以满足VTM的要求。该架构允许使用两种不同的功率转换拓扑，针对特定转换器的需求，提供电压转换和隔离或调节。