36载创新路,Vicor凭什么不断刷新电源功率密度新记录?

作者:电子创新网 张国斌 在无线充电技术成熟以前,体积更小、效率更高的各种高效电源模块是厂商趋之若鹜的好东西,所以以砖式模块电源闻名的美国Vicor公司在这个领域如鱼得水,不断以更高功率密度电源模块刷新业界对电源的认知。在刚刚闭幕的慕尼黑2017电子展上,Vicor商务拓展经理陈历忠先生(题图)在介绍Vicor各种新型模块电源的同时也是分享了Vicor不断刷新电源功率密度的秘笈。 由于中国已经成为全球90%以上电源产品的出产国和供货地,因此与各种电源模块厂商都把中国作为重点市场开发,Vicor公司曾经制定了一个5年计划--自2012年起到2017年结束时把中国市场Vicor整体业务中的占比从20%上升到50%。为实现这一目标,Vicor公司2013年1月在上海成立办事处,负责国内销售、市场和技术支持。另外Vicor公司把未来的重点覆盖领域聚焦到电动汽车/混合动力汽车、通信和计算以及工业三大领域,从传统的军工航天领域向更广阔的民用市场进军。
各种高密度功率电源方案
在慕尼黑2017电子展上,我们注意到Vicor的解决方案主要针对这三个领域。 “先看看这个车载网关,输入电压范围是8V到36V ,而输出是12V或者24V,这里就需要升降压,一般凌力尔特和TI都用分立方案,而我们第一次把四个MOSFET管集成,这样我们可以支持电压从8V到60V,功率支持从60W到1600W的产品领域,整个升降压系列就全了。”他介绍说。
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再看这个针对电动汽车的DC/DC电源系统,可以从380V直接降到13.8V,支持1800W功率。上面是Vicor代理商做的2000W的电源方案,相比之下,新方案不但性能突出,体积更小了,只有原来的1/4!因此客户订购这个产品的客户很多。
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这个模块有完善的保护机制,数字通讯接口可以实现CAN通信
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Vicor的很多方案是高压大电流降压方案,这样的方案效率很高,更符合绿色节能大趋势,比如这个基于PI3545的LED显示屏方案,支持宽输入电压范围30V到60V,支持下一代LED显示技术,支持I2C配合MUC实现自适应电压调整,它就采用了Vicor的绝活儿--ZVS零电压开关技术 ,使48V转5V有94%的转换效率,48V转12V效率达95%,业界第一!
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实际上,这些方案中包含了控制器、MOS管和主动器件等,因为采用了SIP封装,所以看起来芯片大小。这个方案通过数字化调整可以支持不同品牌的LED芯片,这可以帮客户节省很多成本,一般LED显示屏一平方米要支持600到1000W功率,Vicor的方案可以做到很小。”他强调。“传统LED显示屏从AC转5V,然后5V直接供给LED屏,驱动单个LED。在这种结构中,AC/DC电源比较厚,如果采用大功率5V/12V母线,线上的压降比较大。因此国内一流厂商开始考虑使用集中的AC转48V的DC电源,屏间母线为48V,再从48V通过DC/DC转换成5V。这种结构厚度小,损耗低,是大屏的发展方向。这次展示的LED显示系统采用的是PFM从AC转为48V,再采用48V转5V的ZVS buck直接为屏供电。”
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数据中心采用48 V直接至处理器功率转换,每年每个数据中心节省50万美元!
随着高性能计算以及GPU等应用发展,未来的服务器功耗将不断增加,如果单机柜功率在10KW以下,12V母线还能勉强应对,但随着机柜功率的不断增加,12V母线带来的损耗,以及压降将成为难以承受之重,因此未来机柜内母线电压一定会往48V方向发展,特别是在HPC等高性能计算场合。 从2012年开始,谷歌便开始建设第一代48V供电架构,机柜级采用48V,但仍采用12V输入的服务器主板,通过机柜内DC/DC降压到12V,最后再进一步降压到CPU的POL(负载点)节点;从2013年开始,由于48V直接转负载点方案的成熟,开始采用第二代48V机柜和UPS,此时服务器主板直接支持48V,并直接从48V降压到CPU的POL节点,减少了12V中间转换环节,效率更高,成本更低。
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来看看效率的提升!
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随着谷歌公司宣布加入OCP,并将其48V贡献给OCP后,Vicor马上宣布对48V到POL负载点的支持,并且发布相应的芯片。这一消息极大促进了48V产业链的生态完整,表明在数据中心供电架构上在稳步朝着48V的方向前进,据说国内BAT巨头也有类似48V计划,在数据通讯领域我们看到如下的电源发展趋势。
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在慕尼黑2017电子展上,Vicor展示了48 V直接至处理器的功率转换方案。“Vicor是业界唯一可以提供成熟的48V直接到CPU方案。”陈历忠强调。
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据推测,数据中心如果采用48 V直接至处理器功率转换,每年每个数据中心节省50万美元! 现场还展示了一架大型无人机,据陈历忠介绍这种系留无人机需要空中悬停时间长,通常需要700~800V电压,这里就采用了Vicor的Chip模块,输入电压范围是16V到800V,它有非常高的功率/重量比,600W仅重300克,它基于用并联设计因此可以实现高功率阵列设计。
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现场还展示了各种Vicor的高功率密度方案,包括模块以及芯片电源产品。其中最新推出的DCM — ChiP 封装的全新DC-DC 转换器、48V Cool-Power ZVS 降压稳压器也将全新登场。
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Vicor凭什么不断刷新电源功率密度新记录?
从前面的介绍中,大家可以体会到Vicor的创新源于拥有核心技术,例如ZVS零电压开关技术 、高级封装技术、自己设计的控制器芯片等等。 此外,陈历忠表示独特的拓扑架构也是Vicor的一个核心技术---Vicor的DC/DC集成方案是内部的两级拓扑,前级是零电压开关的升降压转换器,后级是零电压零电流的母线转换器结构。 “从这个图可以看出,我们Vicor的发展就是模块电源的发展史,我们从2013年开始采用Chip封装不断提升电源模块功率密度。我们还要不断通过集成提升功率密度,比如VIA封装把滤波器集成提升功率密度。”他自豪地表示。
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2013年,Vicor推出Chip封装,2015年VIA封装,而今年则推出了SMChip封装技术---Vicor每两年就升级一次封装技术!SMChip封装技它在很小的封装上包裹了铜箔,把管脚也改成表面贴装形式,不仅便于焊接,也利于散热。
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期待Vicor带来更多突破性电源模块技术!