PCB 空间限制？中间总线转换器如何提供帮助

中间总线架构是电源设计人员用来节省 PCB 空间的一种新兴方法。本文讨论了采用此技术的解决方案优势和权衡，以及如何对其进行扩展以满足特定于应用程序的要求。

自 1902 年 Peter Cooper Hewitt 发明汞弧整流器以来，电力电子领域已经成为一个成熟的、高度研究的行业，其历史可以追溯到 100 多年前。这些整流器的发明之后是 1926 年的热阴极气体管整流器、1948 年的晶体管、1956 年的 p-n-p-n 硅晶体管、1980 年的 IGBT 等等。进入21世纪，电力电子在清洁能源、电动汽车、服务器应用等领域不断演进。这些新兴行业的发展要求电源设计人员找到新的创新解决方案，以满足不断变化的需求，即对更小、更具成本效益的解决方案的需求。

一种这样的新兴架构是在电源应用中使用中间总线转换器 (IBC)。虽然分布式电源架构 (DPA) 已成为负载点 (POL) 设计的行业标准，但利用中间总线架构 (IBA) 是一种新兴方法，可让设计人员缩小解决方案尺寸并使用低成本 POL 转换器。 POL 转换器是负载附近的降压 DC-DC 转换器，可最大限度地降低阻抗并提供精确的电压供应。它们可以是英特尔® Enpirion® PowerSoC 等电源模块，也可以是分立降压转换器。使用 IBA 为 POL 转换器供电通常可以降低成本和缩小解决方案尺寸，同时保持具有竞争力的系统效率。

图 1. 一级传统分布式电源架构对比二级中间总线架构

使用 IBA 优于 DPA 的优势取决于转换的电源轨数量，更多的电源轨可节省更多空间和成本。取决于所使用的 POL 转换器，系统效率可以保持竞争力。

表 1. IBA 与 DPA 权衡的比较

在以下讨论中，英特尔 EC2650QI 12 至 6 V 中间总线转换器和英特尔 Enpirion PowerSoC 将用作设计示例。

表 2. Intel Enpirion EC2650QI 12 至 6 V 中间总线转换器

需要更少 PCB 空间的多级电源转换方法

当以 1 级方法直接从 12 V 转换时，后续使用的 12 V DC-DC 电源转换器需要 20 V 或更高的工艺技术来承受更大的输入。需要更高电压的工艺才能保证工作范围和由于电压尖峰引起的器件击穿之间有足够的裕度。电压过程越大，器件越大，因为内部晶体管的漏极、源极和栅极之间需要更多空间。

相比之下，通过首先从 12 V 降压到 6 V 使用 2 级方法允许下游输入较低的 POL 模块。较低输入电压的模块通常更小且价格具有竞争力，因为它们只需要 10 V 工艺技术并且不需要内部电路来处理这些更高的输入电压。

此外，当从更高的输入电压转换时，电感器必须能够处理每个开关周期内的电压差。当直接从 12V 降压时，需要更高的电感或更高的开关频率以最小化输出纹波。通常，电源设计人员选择实现更高的电感，因为更高的开关频率通常意味着更多的功率损耗和更低的效率。然而，这种较高的电感转化为电感器磁芯周围的绕组更多，从而增加了电感器的物理尺寸。相反，使用 IBC 从 12V 降压到 6V 将允许设计人员实现类似的纹波，而无需增加每个 POL 的电感器物理尺寸。

高效的设计解决方案，尽管存在两阶段转换惩罚

2 级方法中的整体系统效率在很大程度上取决于总线转换器的效率。为了避免常见的两级电源转换代价，设计人员应选择高效率 IBC，例如 EC2650QI，它通过使用开关电容器拓扑提供高达 94% 的转换效率。

例如：

在 1 级直接转换方法中，使用英特尔 EN2340QI 在 3 A 时将 12 V 转换为 3.3 V 可以达到 92%。

图 2. 输入电压为 12V 的英特尔 Enpirion EN2340QI 的效率曲线。

在 2 阶段方法中，使用英特尔 EC2650QI 首先将 12 V 转换为 6 V 可以达到 94%。

• 然后，使用英特尔 EN6340QI 将 6 V 转换为 3 A 时的 3.3 V 可以达到 95%。
• 最后，两阶段方法的总效率为：0.94 x 0.95 =89.3%。

图 3。 Intel Enpirion EC2650QI 的效率曲线给出了 12V 的 Vin。

图 4。 给定 Vin 为 5V 的 Intel Enpirion EN6340QI 的效率曲线。

在比较 92% 与 89.3% 时，我们看到 IBC 会产生一些额外的效率损失，这在直接转换方法中是不存在的。但是，对于某些电源设计人员或应用程序而言，节省的空间可能会超过效率上的妥协。

可以通过多种设计选择进一步减轻这种效率损失，同时仍然保留使用 IBC 所节省的空间。电源设计人员可以选择在低电流轨上专门设计 IBC，这将最大限度地减少额外的瓦数损失。他们也可以选择选择更大的转换器，这可以使整体设计更加高效。使用 IBC，工程师可以扩展他们的设计选择，以找到完美平衡其尺寸限制、效率要求和成本需求的架构。

系统设计师何时应该选择使用 IBA 进行设计？

通常，当电源设计人员对解决方案尺寸或成本有严格要求，但在效率上有一定的灵活性时，他们应该考虑 IBA。特别是，当转换 3 个或更多轨时，使用这种 2 级方法通常最有益，因为更小解决方案尺寸和更低成本的优势变得越来越明显。如上所述，IBC 架构可以进行扩展和调整以满足特定的设计要求。

例如，如果我们将英特尔 EN2342QI 用于以下四个栏杆，估计系统效率约为 87%，总解决方案尺寸为 800mm²。如果我们使用带有四个较小 POL 转换器的 IBC，估计系统效率约为 84%，总解决方案尺寸为 390mm²。 2 级方法具有相当的效率，同时需要的 PCB 空间不到一半，节省的空间增加了 51%！每增加一个栏杆，平均可节省 100 平方毫米的空间，并节省更多成本。

图 5。 使用小型 POL 的 1 级与 2 级 IBC 架构的示例电源树

表 3. 总效率和解决方案规模的系统级比较

对于一些设计人员来说，大幅节省空间和成本可能会弥补系统效率的下降。但是，可以通过将一些小型 POL 转换器替换为较大的 POL 转换器来进一步调整和提高效率，如下例所示。

图 6。 使用小型和大型 POL 的 1 级与 2 级 IBC 架构的示例电源树

表 4. 总效率和解决方案规模的系统级比较

在上面的示例中，我们用更大、更高效的 EN6362QI 转换器替换了两个小型 EN6340QI POL 转换器。这样做之后，效率提高到 85% 以上，与 DPA 方法相比，解决方案尺寸仍然小 26%。

IBA 为定制解决方案提供额外的设计工具

总之，IBA 为工程师提供了额外的设计工具和独特的机会来定制满足其特定需求的解决方案。结合中间总线转换器允许电源设计人员使用需要较低电压工艺和电感的模块。这些变化直接转化为更小的总解决方案尺寸。

通过使用高效 IBC 并进行特定于应用的设计选择，可以减轻附加级的任何功率损失。一个这样的例子是英特尔 Enpirion EC2650QI，它可以与多达四个设备并联以创建 144 W 总线，每个设备仅需要 150 平方毫米的总解决方案尺寸。

其他资源

• 英特尔 Enpirion 信息页面
• 英特尔 Enpirion 电源解决方案 YouTube 视频简介
• EC2650QI 产品页面
• 英特尔 EC2650QI 概述 Youtube 视频

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