四分之一磚提高功率密度和效率的標準

眾所周知，在現代伺服器、工作站和電信設備中常見的中間匯流排架構 (IBA)，其實是透過多種稱為磚 (brick) 的隔離式 DC/DC 轉換器發揮功能。 這些磚型轉換器會提供較低的 DC 匯流排電壓，讓系統設計人員快速打造高效率、高密度、非隔離式負載點 (POL) 降壓穩壓器，以便驅動多種電子負載，例如系統板件上的微處理器、FPGA 和 ASIC。 由於降壓比更小，因此目前更容易打造 POL 穩壓器。

近期的 TechZone 文章《更高功率、效率與密度的八分之一磚轉換器》指出，廠商已經在相同的 58 x 23 mm (2.3 x 0.9 in) 標準覆蓋區下，開發出能提供更高功率、效率、數位控制並且降低成本的八分之一磚轉換器。 因此，這些磚型轉換器能以大幅縮小的八分之一磚覆蓋區提供相當於四分之一磚的功率和功能，並且具有更高的效率和密度，且價格更具有競爭力。 同時，因為系統板件要求更多功率、更快回應速度以及更高效率，磚型轉換器製造商亦提升了四分之一磚的效能和功率。 此外，也加入 PMBus 等介面提供數位控制。

本文將探討 CUI、GE Critical Power、Murata Power Solutions、Bel Power Solutions 以及 Vicor 等製造商在四分之一磚上的效能提升成果，顯示四分之一磚如何更上一層樓，處理半磚和全磚的作業。

提高標準

以 Vicor 為例，該公司在挑戰功率極限的同時，也提高了效率的標準。 近來，該公司以四分之一磚覆蓋區達到 850 W 的輸出功率和超過 98% 的峰值效率。 Vicor的 VI Brick^® IBC 系列元件 IB050Q096T70N1-00，能在最小的空間中提供最大的可用功率，並且具有無可比擬的效率和暫態響應。 IBC 模組是業界標準 5:1 固定比率轉換器的立即可用升級產品，輸入電壓範圍介於 36 至 60 V，輸入和輸出具有 2,250 V_DC 隔離能力。 此模組亦能達到超高峰值效率（圖 1）。 額定電流高達 80 A，若要達到 850 W 輸出，輸入電壓範圍須介於 55 至 60 V。若要達到 550 W 輸出時，DC 輸入範圍則介於 36 至 54 V。根據供應商的資料，此四分之一磚模組的尺寸為 2.30 x 1.45 x 0.42 in，其開放式結構有助於模組上下方的氣流流動，減少下游元件的溫升。 因此，本模組能在散熱受限的系統中達到最大可用功率，讓設計人員節省寶貴的板空間，且僅需 400-LFM 氣流即可在環境溫度 65°C 下達到全負載操作。 根據 Vicor 的產品規格書，IBC 模組採用自行研發的正弦振幅轉換器拓撲，達到更高頻率的切換，藉以提升功率密度和效率，同時將暫態響應時間縮短十分之一。 因此無需在中間匯流排之間使用大型電容。


圖 1：Vicor 的 VI Brick IBC 四分之一磚在環境溫度 55°C 時展現 98% 的峰值效率。

CUI 也在 NQB 系列四分之一磚設計中納入其專利的 Solus 功率拓撲提升功率密度，藉此針對電信系統和資料中心內的中間匯流排轉換器，因應其不斷提高的功率需求。 NQB 系列屬於該公司的 Novum Advanced Power 產品組合，能以四分之一磚覆蓋區支援高達 720 W，輸入範圍為 36 至 60 V_DC，輸出為 12 V_DC，而且效率超過 96%。 NQB 產品最終將會支援更寬廣的輸入範圍以及 9.6 V_DC 的輸出。 其他功能選項包含 DOSA 覆蓋區相容性、遠端開／關、負載分擔能力。

數位控制

CUI 也在數位控制領域上提供 NQB-D 系列，其整合 32 位元 ARM 架構微控制器和功率最佳化的韌體，能針對負載狀況大幅變化的應用，讓效率曲線達到最大值與平坦化。 此外，亦提供 PMBus 1.2 修正版介面進行遙控和監測，並可設定磚型轉換器的輸出電壓、電壓餘裕、故障管理、精密延遲上升以及啟動／停止。

同樣的，GE Critical Power 也在其高功率 Barracuda 系列中納入數位控制功能，能以符合 DOSA 規格的四分之一磚覆蓋區提供完整調節。 Barracuda 磚搭載 PMBus，在設計上提供 9.6 至 12 V_DC 的中間匯流排電壓，能驅動非隔離式 POL 轉換器。 QBDW025A0B 的輸入範圍介於 36 至 75 V_DC，輸出為 12 V_DC，額定輸出功率為 300 W（圖 2）。 此元件支援 PMBus 1.2 規格的命令子集。 產品規格書中有詳述支援的命令。 控制器參數能透過 PMBus 編程，並可儲存成預設值以便之後使用。 四分之一磚 QBDW025A0B 含有非揮發性記憶體，能儲存組態設定和標度因數。


圖 2：GE Critical Power 的 DOSA 規格四分之一磚 QBDW025A0B，屬於 Barracuda 系列成員，在 12 V_DC 時，輸出功率額定值為 300 W。

Barracuda 磚採用同步整流與創新封裝，以期達到超越 96% 的效率。 由於輸出與輸入完全隔離，因此能達到多極性配置和接地連接。 加上內建的輸入和輸出濾波，此 DC/DC 轉換器能將外部濾波降至最低。

Barracuda 磚的輸出具備過電流、過壓以及過熱保護。 針對更高功率需求，QBDW025A0B 電源模組提供並聯操作的選項， 能提供精密的強制輸出電壓負載調節驟降特性。 根據 GE 的資料，輸出設定點和驟降斜坡經過原廠校準，確保與多重模組的負載調節特性達到最佳匹配。 規格書亦有詳細說明負載分擔實作的需求。 其他選項包含熱管理底板以及故障關斷後的自動重新啟動。

在自然對流和強制對流環境中，使用底板能提升散熱效能。 此外，也能讓裝置部署在傳導散熱應用中（底板安裝在更大的散熱片或冷卻板上）。

更寬廣的輸入電壓範圍

一般而言，磚型轉換器的輸入電壓範圍為 2:1，意指最大操作電壓約為最小的兩倍， 典型的例子為 18 至 36 V 以及 36 至 75 V。不過，在設備的部署環境中，可用電壓可能會有所不同，因此 Murata Power Solutions 和 Bel Power Solutions 等製造商也針對此類應用提供超寬廣輸入電壓範圍的款式。 此類產品的輸入範圍可能為 3:1 甚至更大。

Murata 的四分之一磚轉換器 UWQ-12/20-T48 就是良好的例子。 此轉換器專為無線回程、多種網路以及其他電信應用所設計，能接受 18 至 60 V_DC 的輸入，並且在 20 A 提供 12 V_DC，採用 DOSA 規格的開放式四分之一磚封裝，僅佔用 58.4 x 36.8 x 11.7 mm (2.3 x 1.45 x 0.46 in)。 此元件能提供嚴格的負載和線路調節，確保輸出電壓在負載改變下的變化不會超過 ±1.25%。 典型效率為 92%，並且可並聯多達三個元件進行操作，為更高的輸出功率提供備援或負載分擔（圖 3）。 除了提供遠端開／關控制之外，此四分之一磚轉換器亦具備過電流、過熱、輸入欠壓以及輸出短路保護。 也可選配底板達到傳導散熱效果。


圖 3：Murata 的隔離式四分之一磚可以並聯連接，達到更高輸出電流。

Murata 亦在 UWQ 系列中添加 4:1 輸入能力的四分之一磚。 UWQ-12/17-Q48 即為此系列成員之一，輸入範圍介於 18 至 75 V_DC，標稱輸入為 48 V。 在 17 A 電流下，固定 DC 輸出為 12 V。 其他特點包含遠端開／關控制、DOSA 規格引腳配置和外型尺寸、多種自我保護、OVP、輸入欠壓、電流限制以及熱關斷。

同樣的，Bel Power Solutions 也推出 UIQ 系列的 DOSA 規格 240 W 四份之一磚產品，可因應 18 V 至 75 V 的寬廣 DC 輸入，並且產生 12、5 或 3.3 V 的 DC 輸出。以 UIQ48T20120 型號為例，在 20 A 時能提供 12 V_DC 以及超過 92% 的效率。 此產品專為在有限氣流和較高環境溫度的系統中操作所量身打造。 此外，此磚型模組搭載均熱片，能為選配的冷卻板和散熱片提供有效的散熱介面（圖 4）。


圖 4：Bel Power Solutions 的 DOSA 規格四分之一磚 UIQ48T20120 搭載均熱片，能進一步增進轉換器的散熱能力。

總之，四分之一磚 DC/DC 轉換器正在功率密度、轉換效率以及散熱效能上樹立新標準，同時為板件添加更多功能。 因此能處理先前指定給半磚和全磚的作業。

若要進一步瞭解此文章所述之轉換器，請使用本文所提供的連結進入 DigiKey 網站的產品頁面。