大幅提升48V 至12V 一級轉換的變壓效率

作者：ADI 研究員 Alexandr Ikriannikov及產品應用部經理Laszlo Lipcsei

摘要

在資料中心與通訊應用中48V 是常用的配電規格，現已有許多不同解決方案能將48V 降壓至中間電壓。其中最簡單的方法是採用降壓電路拓撲，其能提供高效能，但通常會有功率密度不足的缺點。運用耦合電感來升級多相降壓元件能大幅提升功率密度，不僅達到其他頂尖替代方案的水準，還能維持可觀的效能優勢。 多相耦合電感在繞組之間會有逆向耦合，在每個相位電流上產生抵銷電流漣波的效應。此項優點可以拿來和效率、縮減尺寸、改進功率密度等因素一起做權衡評估。本文所介紹的實例除了能將磁性元件的體積與重量減少4倍，還能以1/8的產業標準模塊建構出1.2 kW的解決方案，達到的峰值效率超過98% 。本文另外還闡述如何運用耦合電感的品質因數（FOM）來優化48V 拓撲，對於專注研究DC-to-DC 轉換領域的工程師將會有所裨益。

介紹

48V 輸電軌通常會降壓至中間電壓，一般都是12V 或是更低，之後由不同的近負載端穩壓器直接向各負載輸送各種不同的電壓。要將48V 穩壓器降壓至12V ，其中一個優先選項是考慮採用多相降壓轉換器（如圖1所示）。此種解決方案有調節後電壓V_O 以及快速瞬態現象，在建置上簡單且不昂貴。然而，由於高效率通常被列為優先要務:因此48V 轉換器的切換頻率通常比採用12V 或甚至5V 輸入電壓的應用來得低，如此才能壓低切換損耗。若以電壓乘以秒數的電壓積分來計算，對磁性元件造成的傷害等於兩倍，因為施加電壓已經過一段相當長的時間。因此，48V 的磁性元件體積通常相當大，並有多圈繞組以承受相對於較低電壓應用明顯提高的電壓積分。48V 降壓轉換器仍能達到高效率，但通常整體尺寸會明顯加大，其中電感會佔去大部分的體積。

基本的48V 至12V ~1 kW降壓轉換器有4個相位，配置6.8 μH的分立電感，切換頻率為200 kHz。這4個電感是最大與最高的元件，佔去解決方案大部分的體積。本文的目標是維持或改進這個初始設計的效率，同時大幅縮減磁性元件的尺寸。

傳統降壓器每個相位的電流漣波可以公式1算出，其中工作週期 D = V_O/V_IN, V_O為輸出電壓, V_IN為輸入電壓，L 是電感值， F_s是切換頻率。

這裡將分立式電感（DL）取代成耦合電感^1–7，其具有漏感L_k 與互感L_m，CL（耦合電感）中的電流漣波如公式2所示⁶。品質因數FOM如公式3所示，其中的 N_ph是耦合相位的數量，ρ為耦合係數（公式4）， j是運行係數，其定義了工作週期的應用區間 （公式5） 。

CL 考量因素

改良的第一步是繪製N_ph = 4以及耦合係數Lm/Lk為數個特定合理值時的FOM圖（如圖2所示）。紅線L_{m/Lk = 0 代表分立式電感FOM = 1 的基線。其顯示了極低漏磁的凹口結構CL （NCL）通常會達到極高的 Lm/Lk，因此會有較高的FOM值^8,9。然而，關注的工作週期如果落在第一個凹口D = 12 V/48 V=0.25時最為理想: 但仍有必要考量一定的VIN 與VO範圍。有時額定VIN 可以是48 V 或54 V外加一些容限，VO可調整為不同於12V 的值。如果工作週期在D = 0.25附近變動，為了控制電流漣波，可以選擇具有明顯漏感應的CL設計，不應選擇NCL，而仍能維持明顯的FOM值。假設Lm/Lk > 4，相較於DL基線，根據圖2的FOM，減少CL的電感值可獲得約6倍的效益。減少儲能會直接影響磁性元件所需的體積，將DL = 6.8 μH 值減少到CL = 1.1 μH 應有助於減小元件尺寸。}

圖3顯示相對應的電流漣波，包含基線設計DL = 6.8 μH，以及在V_IN= 48 V 與Fs = 200 kHz的條件下4相位CL = 4 x 1.1μH（L_m = 4.9 μH）。在關注區域中，CL的電流漣波接近或小於DL的電流漣波。表示所有電路波形的rms均方根值都相近，因此導通損耗也相近。在相同 F_s出現的相同漣波表示相同的切換損耗、以及閘極驅動損耗等，代表兩種解決方案的效率相當接近（假設DL與CL電感損耗的貢獻相近，唯一的差異只有此方面）。

圖4顯示設計的CL = 4 × 1.1 μH，取代4個DL = 6.8 μH 電感 ⁵。每個DL是28 mm × 28 mm × 16 mm，假設各自相隔0.5 mm: 4相位CL尺寸為56.5 mm × 18 mm × 12.6 mm，讓磁性元件體積縮減4倍。圖5顯示完整的 1.2 kW 48 V 至12 V穩壓解決方案，單片印刷電路板上的多個元件置入到1/4-brick規格的電源模塊。CL尺寸與底面積特別設計成能將2個CL元件置入業界標準的1/4-brick電源模塊。將所有約1mm的元件（包括FET、控制晶片、陶瓷電容等）置於電路板底側，讓1.2 kW解決方案能採用1/8-brick規格的電源模塊。

效能增益

當DL = 6.8 μH 電感換成CL = 4 × 1.1 μH時，電感中的電流變化率限制亦改進6倍，這對改進瞬態方面的性能亦有幫助。此外，雖然磁性元件的總體積減少4倍，但電感在攝氏100度時的能承受磁通量的飽和額定值卻提高約2倍。

圖6顯示 V_IN = 48 V解決方案與V_O = 12 V的瞬態性能。正如預期，在持續變化的負載電流下，反饋機制將輸出電壓調整至預設值，並補償了輸入電壓的任何變化。

圖7顯示可能是最重要的效能參數，即已達到的效率。其與業界最先進的解決方案比較:48V 至12V （固定4:1 降壓比）LLC結合陣列變壓器結構，以及一次側與二次側的氮化鎵 FET ¹⁰。這裡把已達到的全負載效率97.6%對比96.3%的基準，這表示在全功率下，損耗減少了16.6W，在建議解決方案中達到1.6倍的改進，在效率已經相當高的情況下，一般很難達成如此大幅度的損耗縮減。

在尺寸與效率之間做權衡當然是可能的。圖8比較CL = 4 × 1.1 μH（相較於DL磁性元件縮小4倍）與大型CL=4 × 3 μH，電感體積僅縮小2倍。物理上較大的CL = 4 × 3 μH具有更高的 L_k= 3 μH 值，漏感與較大的互感 L_m = 10 μH。這讓F_s 切換頻率能降至110 kHz，在整個負載範圍內明顯提升了效率。

 

 

總結

運用耦合電感的各項優勢，48V 至12V 解決方案能讓磁性元件的整體尺寸比基準的分立式電感縮小4倍，建構出能做成業界標準1/8-brick規格的1.2kW電源模塊，這不僅達成縮小4倍的磁性元件，還維持卓越的效率，讓瞬態時電感電流的變化率提高6倍，電感的I_sat 也提高2倍。

相較於相同規格的業界先進48V 至12V 解決方案:在全功率下損耗減少約1.6倍。如果可接受較小的磁性元件尺寸，效率也能進一步提升。

此外，這個建議的解決方案是完全穩壓，可直接放到客戶的主機板，運用標準矽晶FET，即可進一步優化成本。相較於未穩壓的4:1 LLC與所有氮化鎵FET，則是以多層電路板做成單獨的模組，採用敏感的線路佈局，以及嵌入式陣列變壓器的設計。

整體效能提升反映了ADI專利IP在耦合電感的各項優勢，我們很高興為擁有各種直流對直流應用的客戶提供這些元件。