这是一个疯狂的 48V 世界
48V 日益普及在以更高效率、功率密度和结构紧凑为优先考虑因素的领域
文章
高性能 DC-DC 转换器赋能网络交换机，实现可靠供电
可靠电源是网络设备提供高可靠性和可用性的关键因素。
作者：Yutaka Mitzutani，Vicor 公司现场应用工程师
云计算服务的快速普及推动了数据流量的急剧增长。这一趋势预计将持续下去，2024 年至 2033 年期间的复合年增长率（CAGR）将达到约 20%。网络设备，包括路由器和网络交换机，是适应这一快速增长的关键，在促进互联网数据流动方面发挥着重要作用。
为了保证大量数据的不间断传输和低延迟，网络设备需要具备高可靠性和可用性，而电源系统是实现这一目标的基石。虽然 -48VDC 是网络基础设施的传统标准输入电压，但网络设备通常以正电压运行。因此，业内使用隔离式 DC-DC 转换器来将负电压输入转换为正电压输出。在发生故障时，这些转换器的冗余设计对于保持系统正常运行至关重要。（如图 1 所示）
图1：在对电压和电流有一定要求的典型网络交换机电源轨配置中，冗余是保证可靠性的重要措施。
宽输入电压范围内需要稳定的 12V 输出
网络交换机通常由外部 -48V 直流电源供电。然而，这一输入电压可能会出现显著波动，范围在 -36V 至 -75V 之间。DC-DC 转换器必须在此宽泛的输入电压变化范围内保持稳定的 12V 输出电压。
某些电源模块可能难以在整个输入电压范围内保持稳定的输出，尽管它们标示的输入电压范围为 -36V 至 -75V。当输入电压达到下限时，这些模块可能无法提供持续的 12V 输出电压。
相比之下，Vicor DCM™ 模块能够在 -36V 至 -75V 的整个输入电压范围内保持稳定的 12V 输出电压。Vicor DCM3623 通过初级侧的专有 Vicor 控制器 IC 主动调节输出电压，从而实现这一目标。DCM3623 的输入电压与输出电压之间的关系可以通过 Vicorpower.com 上提供的产品仿真工具（Product Simulators）查看。
Vicor DCM3623E75H13C2T00 是一款高性能 DC-DC 转换器，非常适合满足这些苛刻的要求。它具有高功率密度和并联运行能力，因此是高密度网络交换机电源系统的理想选择，尤其是在大规模数据中心内。本文将深入探讨该产品的具体特性。
无需额外组件即可扩展功率
为了确保关键信息技术设备的连续运行，冗余电源至关重要。当多个电源并联运行时，电源模块通常会监控输出电压和电流，并相互传递这些信息以实现输出均流。此外，还可在输出端添加 ORing 二极管，以防止由于电源间的压差引起的反灌电流。通常，电源的并联运行需要额外的组件。
然而，Vicor DCM 电源模块无需额外的组件即可实现并联运行（如图 2 所示）。这是因为该 DCM 内置了下垂（droop）模式功能，可以实现均流并简化设计。
图 2：并联阵列配置能提供可扩展的冗余输出。
并联阵列中的下垂特性（Droop characteristics）
下垂特性是一种控制功能，可根据模块条件（如负载电流和内部温度）的变化动态调整电源的输出电压。
输出电压根据以下公式计算：
VOUT = 12V + 0.6316 x (1 - IOUT / 26.67) - 1.600 x 0.001 x (TINT - 25) + ΔVOUT-LL
注：该公式仅适用于 DCM3623E75H13C2T00。如需计算其他 DCM 的 VOUT，请参阅相关的 DCM 数据手册。
术语定义（见图 3）：
VOUT = 输出电压
IOUT = 输出电流
TINT = 模块内部温度（单位：°C）
ΔVOUT-LL = 轻负载升压期间的额外输出电压
在满载（IOUT = 26.67A）和 25°C 条件下，该模块的标称输出电压为 12V。
在恒温条件下，DCM 呈现出 -5.26% 的负斜率负载线关系，满载（IOUT = 26.67A）时的输出电压低于空载（IOUT = 0A）时的输出。负载线的电压差为 0.61V（= 12V × 0.0526）。
该 DCM 内部的控制 IC 监控内部电流并调节输出电压。在并联阵列运行中，电流较低的模块输出较高的电压，而电流较高的模块输出的电压较低。
此外，模块温度的变化也会对输出电压产生轻微影响，进而影响均流。
如果某模块的负载高于其他模块，其相对温度往往会上升，导致输出电压降低。由于其他并联 DCM 的输出电压会与负载更大的 DCM 相匹配，因此它们会调整其输出电压以更均匀地分担负载。
满载条件下，DCM 在 120°C 时的输出电压低于 -40°C 时的输出，-40°C 和 125°C 之间的电压差为 0.256V。
这种下垂特性（负载线和温度系数的综合效应）使 DCM 模块之间无需额外的电路即可实现电流平衡。
图 3：根据负载线和温度系数计算下垂电压（DCM3623）。
轻负载升压
最后是对上述 VOUT 公式中的 ΔVOUT-LL 的一些补充说明。
当 DC-DC 转换器与外部输出负载的组合内部功耗低于每个内部 MOSFET 开关周期的最小功率传输时，将激活轻负载升压功能。这通常发生在负载电流降至额定值的 10% 以下时。
在轻负载升压期间，DCM 动力系统会反复开启和关断，从而降低开关频率并显著减少模块的功耗。
延长关断时间可能会导致输出电压升高（见图 4）。这种电压升高在空载条件下最大可达 2.15V。为缓解这种电压升高的影响，可以在输出端添加一个泄放电阻，消耗约 10mA 的电流，从而有效降低 ΔVOUT-LL。
图 4：轻负载调节对输出电压的影响。
稳定性和负载电流平衡对于实现网络交换机高效供电至关重要
Vicor DCM3623 采用专有的控制环路技术，能够在宽泛的输入电压变化范围内实现出色的输出电压稳定性。此外，凭借内置的下垂管理功能，它能够在多个模块并联时实现输出自动均流，而无需附加复杂的外围电路和通信。这样就可以简化电源电路的设计，并为数据中心网络交换机等需要高可靠性的系统提供稳定的供电。
本文最初由 Power Systems Design 发布。
Yutaka Mizutani 于 2021 年加入 Vicor，担任日本高级现场应用工程师。他为高性能计算（HPC）、航空航天与国防、工业和汽车电源系统提供技术支持和咨询。在加入 Vicor 前，他曾在一家半导体供应商工作，为包括汽车、工业和消费电子产品在内的各种应用提供支持。Yutaka 拥有电气工程学士学位和工商管理硕士学位（MBA）。
Yutaka Mitzutani，Vicor 公司现场应用工程师
