使用分布式電源架構的電信系統(tǒng)和數據中心計算機通常采用中間總線電壓為各種系統(tǒng)板上的負載供電。傳統(tǒng)上，中間總線電壓為48 VDC。但是，電路板上的電子電路和器件可以使用3.3 V至1 V及更低的電壓，具有高電流消耗。例如，最新一代處理器的核心電壓為1 V或更低，電流要求超過100 A.同樣，其他電子負載，如FPGA和存儲器件，也有嚴格的電源需求。

由于設計具有高效率的高降壓比DC/DC轉換器并不簡單或具有成本效益，因此大多數設計人員選擇使用中間總線轉換器模塊將總線電壓進一步降低至24 V，12 V或更低或磚塊。然后，他們使用高速非隔離負載點（POL）降壓或降壓調節(jié)器產生3.3 V及以下的電壓，以便為系統(tǒng)板上的不同負載供電。

面臨的挑戰(zhàn)是設計高降壓比DC/DC降壓轉換器，可提供48至3.3 V及以下的電壓，同時以最低的成本保持高效率和高密度。通常，這種高降壓比DC/DC轉換器的效率低于預期，并且設計非常具有挑戰(zhàn)性，特別是對于硅器件。然而，通過將建筑的進步與創(chuàng)意電路設計和包裝制造商（如Vicor）相結合，成功地解決了這個問題。與此同時，利用氮化鎵（GaN）器件的高壓能力，高效功率轉換器（EPC）等供應商開發(fā)了基于增強型GaN（eGaN）FET的降壓轉換器，以有效且經濟高效地解決這些問題。具有高功率密度。

硅解決方案

讓我們先來看看基于硅的解決方案。 Vicor是一家成功開發(fā)高效硅解決方案以滿足高密度高降壓比轉換器的電源制造商。該公司正在擴展其新穎的專有架構，稱為分解功率架構（FPA），以生成高降壓比DC/DC轉換器解決方案，該解決方案可采用48 V總線輸入并將其降壓至低至1 V的負載電壓。與傳統(tǒng)的DC/DC電路不同，Vicor的FPA方法也考慮了分布和連接器損耗。

通過分離DC/DC轉換器的經典功能，F(xiàn)PA及其新穎的電源轉換構建模塊，PRM和VTM，可以提供從中間總線電壓到處理器內核的高效電源系統(tǒng)解決方案。為實現(xiàn)這一目標，F(xiàn)PA采用典型DC/DC轉換器的調節(jié)，隔離和電壓轉換功能，并將它們分離或分解為單個元件。然后將屬于VI芯片系列的這些獨立組件安排在最佳電源架構中，如圖1所示。

圖1：PRM和VTM模塊是基礎分解功率架構（FPA）的構建塊。

VI芯片PRM穩(wěn)壓器采用非隔離降壓 - 升壓拓撲結構，創(chuàng)建一個嚴格調節(jié)，可調節(jié)的直流輸出 - 分解總線VF - 饋入VTM變壓器。固定比率變壓器VTM使用正弦幅度轉換器拓撲將VF直接下變頻到負載電壓。該架構使用MHz頻率零電壓（ZVS）和零電流開關（ZCS）來實現(xiàn)高效率和高功率密度。根據Vicor關于該主題的白皮書1，PRM模塊的額定峰值效率高達97％，密度超過1，000 W/in3。 Vicor還報告說，VTM的峰值效率為94％，密度為100 A/in3。

將PRMVM變壓器VTM48EF012T130A00等PRM調節(jié)器與VTM變壓器VTM48EF012T130A00相結合，產生了DC/DC解決方案（圖2）采用48 V總線電壓，產生1 V的低處理器核心電壓，符合英特爾VR12.0規(guī)范。如圖所示，該FPA動力總成使用單獨的VID控制器IC，其充當處理器VID和動力系之間的轉換器。根據Vicor的說法，F(xiàn)PA動力總成使用最佳的快速模擬控制回路來提供精確的處理器核心電壓。

圖2：在分解的電源架構中組合PRM和VTM模塊， Vicor已經創(chuàng)建了一個高效的48至1 V處理器核心電壓降壓轉換器。

Vicor創(chuàng)建的穩(wěn)壓器測試板上的效率性能測試表明，基于FPA的解決方案比傳統(tǒng)的基于IBA的解決方案更有效。實際上，根據Vicor的內部測試，基于FPA的解決方案比60％到100％處理器負載的傳統(tǒng)解決方案效率高5個百分點（圖3）。尺寸也有類似的改善。與使用總線轉換器首先將48 V降至中間水平的傳統(tǒng)IBA方法相比，該公司聲稱電路板空間提高了50％。此外，基于FPA的48至1 V DC/DC解決方案還可提供符合Intel VR12.0規(guī)范的負載線和瞬態(tài)響應性能，并且不使用不可靠的電解電容。

圖3：基于Vicor分解功率架構的48 V至VR12.0處理器核心電壓DC/DC解決方案明顯比同類傳統(tǒng)解決方案更高效。

使用eGaN FET

增強型氮化鎵（eGaN）FET供應商高效功率轉換（EPC）建議在此應用中使用eGaNFET2。該公司吹捧的eGAN晶體管的一些主要優(yōu)點包括更低的導通電阻，更高的擊穿電壓，更高的開關頻率，以及更高的系統(tǒng)效率和功率密度。從本質上講，eGaN FET克服了硅MOSFET的最小導通時間問題，從而實現(xiàn)了高效，緊湊的高降壓比降壓轉換器。

為了簡化使用eGaN FET評估48至5 V和更低電壓非隔離降壓轉換器的任務，EPC為其100 V eGaN器件構建了EPC9002和EPC9006評估板。然而，與Vicor的隔離解決方案不同，基于eGaN FET的高降壓比降壓轉換器是非隔離電路。采用半橋配置的eGaN FET，該公司已經構建了一個48至1.2 V降壓轉換器，并將其效率性能與使用相同驅動器（德州儀器）LM5113的先進硅MOSFET版本進行了比較。圖4顯示了在500 kHz開關頻率下工作的兩個降壓轉換器的測量效率性能。它表明基于eGaN的高降壓比降壓轉換器比從光到滿的硅同類產品更高效。負荷。

圖4：EPC測量結果表明，基于eGaN FET的高降壓比降壓轉換器比從輕載到滿載的硅對應器效率更高。

總之，本文中討論的示例表明，隔離和非隔離，高降壓比DC/DC轉換器現(xiàn)在可用于應對從48 V中間總線轉向的挑戰(zhàn)電壓降至處理器電壓。雖然硅在隔離扇區(qū)中繼續(xù)保持優(yōu)勢，但GaN晶體管正在成為非隔離式高降壓比降壓轉換器的可行解決方案。