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符合安规要求,非常适合工业控制及三相电源应用

LYTSwitch™-7 LED结合PFC及恒流输出特性

【开源】智能电表直流供电及功耗实时监测系统(原理图、PCB源文件、程序源码、设计报告)

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【开源】智能电表直流供电及功耗实时监测系统(原理图、PCB源文件、程序源码、设计报告)

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前言:

美国Vicor公司是现时世界最大的高密度电源模块生产商, 同时也是全球唯一能以零电压、零电流技术大批量生产电源模块的厂家。Vicor电源模块包括DC-DC、AC-DC电源模块,隔离、非隔离电源模块转换器。其中VICOR公司电源模块的核心技术是 “零电流”开关,它使变换器的工作频率达到 了1MHz,效率大于80%。

项目设计背景及概述:

       随着科技的发展,数码、电子类型的产品遍布每个角落,而这些数码产品都需要有一个直流供电电源,传统的电源一般由220V转成直流,然后就直接供给设备使用,大部分并没经过保护措施,如过流或者过压、短路的保护,并且也不清楚该设备的实际功耗,并不清楚耗电情况。并且也不能定时自动开启该设备,往往只需要在一天的某个时间段运行,但由于忘记关电或者不方便关电往往也浪费了不必要的电。

       设计智能直流供电及功耗表,正是为了解决上面描述的种种情况,解决诸多的供电保护问题,及定时开关问题等。为设备提供了多一重的保护,多一点的智能,更能让你实时了解设备的耗电情况,以知道其在那种情况下是耗电最大或者最小的。

视频演示:

3. 硬件设计原理

(1) 功能特点

  • 外设可3路供电配置(自定、5V、3.3V);
  • 电压、电流、功耗可视(0.5秒采集一次,液晶上显示实时及平均值);
  • 2A硬件保护(带自恢复保险丝,在软件不起效果时,硬件限制过流);
  • 过压、过流保护(时刻监控设备电压电流值);
  • 定时开启和关闭设备(可定时到秒,每天准时开启和关闭);
  • 记录保存(告警和开关的时间记录在系统里,可随时查看);
  • 静电、浪涌保护(电源端均设有TVS管作为保护);
  • 液晶显示(时刻显示运行状态及电压电流值);
  • 串口数据输出(后期可制作上位机,将采集的数据在软件端画出曲线图,分析设备的用电情况)。

(2) 功能描述

1) DC-DC电源电路,提供8到16V的电源输入范围;3种(与输入相等的电压、5V、3.3V)类型的输出电压。同时也为系统提供5V的电源。

2) MCU最小系统,由SLH89F5162、复位电路和11.0592MHz的晶振组成;

3) 供电输出电压控制电路,3个4A的MOS管控制了输出的通断功能,使得输出方式可以配置和选择。

4) 电流采集电路,采用串联采集电阻转换为电压的方式进行测量,本功能使用了LM224运算放大器进行信号的放大,最终到达MCU的AD输入口;

5) 电压采集电路,采用分压的方式将电压降至可采集范围,通过跟随器提高信号的稳定性及可靠的电压到MCU的AD接口;

6) 硬件过流保护,使用了2A的自恢复保险丝在输出口的最末端放置,以保护设备的过流烧坏现象;

7) 液晶显示,使用LCD12864显示所有采集的电压、电流值,以及实时时钟、功率值,以及需要配置的参数显示;

8) RTC电路,为定时开启、关闭供电提供精准的运行保障;

9) RS232电路,可连接电脑,将数据实时传送给电脑,以提供数据的分析和上位机的实现;

10) 按键电路,提供本地配置参数实用;

11) LED和蜂鸣器,指示系统的运行情况,及告警情况;

12) 315MHz无线模块接口,预留该接口用以使用315Mhz无线模块,实现无线远程遥控开启和关闭的功能。

13) 告警记录可以在LCD上查看,可保存6条历史记录,掉电不丢失。

硬件设计框图:

视频演示:http://pan.baidu.com/s/1c05n07A

智能电表供电及功耗实时监测电路PCB实物图:

电路相关文件

电路图文件
智能直流供电及功耗表-电路图.rar
描述:原理图和PCB源文件,见截图展示
源代码
智能直流供电及功耗表-代码.rar
描述:程序源码,见截图展示
其他文件
原理概述.doc
描述:原理概述
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    来自:智能电网及电表时间:2016-10-25 vicor 智能电表 slh89f5162


  • 射频拉远单元(RRU) 供电解决方案分享

    前言:Vicor公司设计、制造和销售模块化功率元件,这些电源转换解决方案产品广泛应用于航空航天、高性能计算机、工业设备和自动化、电信、网络基础设施,以及车辆和运输领域。在现有的无线网络实际建设中,我们已突现一些难点,如城市居民区选址困难、现有的机房内设备拥挤、乡村及边远山区的大面积覆盖投资过于巨大等问题。电信设备供应商提出的分布式基站解决方案能够为运营商提供一流的低成本快速建网解决方案。分布式基站由射频拉远单元RRU(Radio Remote Unit)和基带处理单元BBU(Base Band Unit)组成。RRU与BBU分别承担基站的射频处理部分和基带处理部分,各自独立安装,分开放置,通过电接口或光接口相连接,形成分布式基站形态。而射频拉远单元(RRU)又分为 4 个大模块:中频模块、收发信机模块、功放和滤波模块。2G/3G的RRU中的PA功放电路主要由LDMOS构成,由于硅基GaN的效率大大提升,已经具备取代LDMOS的大部分市场潜力。GaN(氮化镓),也称为宽带隙半导体。100W时,效率超过70%,19dB增益;效率比LDMOS高出10%;功率密度为LDMOS的4倍,预期成本结构低于LDMOS而受市场热捧。 图:RRU使用介绍但是由LDMOS的28V总线架构向48V总线升级的过程中也带来了问题,即由28V总线提高电压到50V来给处理板直接供电给设计师带来空前的挑战。 传统的硬开关高压输入情况下其缺点无法弥补,制约传统硬开关的电路的因素为:1.硬开关 –现今, 大多数非隔离降压稳压器拓扑的开关损耗都很大. 原因是在导通和关断期间, MOSFET 同时抵受高电流和高电压应力.当开关频率与输入电压增高时,这些损耗同时增大, 局限了其可以达到的最高工作频率,效率和功率密度2.栅极驱动损耗 –由于栅极驱动电路内的米勒电荷的功耗较高, 导至硬开关拓扑结构的栅极驱动损耗也较高3.体二极管传导 – 当高电平端 MOSFET 导通和关闭时, 高脉动电流通过低电平端MOSFET 本身的体二极管。体二极管导通的时间越长,反向恢复损耗和体二极管传导损耗便愈高。体二极管传导也会造成破坏性的过冲和振铃。而Vicor 的零电压开关转换器降压电路改进了这些缺点:1.零电压开关(ZVS)的开关损耗很低2.理想的整流开关, 体二极管传导时间极短, 几乎不被察觉3.高输入电压仍保持高频率操作4.内部补偿简单的, 允许高带宽,增益和相位裕度5.由于输出电感细小,高开关频率和宽带宽反馈环路, 只需细小输出电容, 瞬态响应非常快速6.导通时间最短20ns, 支持36:1 的高比率转换7.高效率偏压系统结合脉冲留白, 令轻载效率非常出色。我们通过开关电路的开关状态的切换来对比Vicor的ZVS降压电路与传统硬开关电路的区别: 图:ZVS Buck 与传统硬开关转换器的对比我们先学习过RRU的典型电路。 传统RRU电路有如下几个功能模块, 基带处理、中频、收发以及功放和天馈。GaN 的应用产生新的+50V (30V~50V),传统的5V4 不能再由28V 直接供电,如果5V4 是12V降压下来就需要使用48V—12V的电源砖3次转换到负载点,我们折衷的改进方法是采用传统48V 隔离的电源砖实现48V 到5V4 的主板供电, 这样减少一极转换,提高整版电路的效率和可靠性,降低板上的面积和成本。 图:RRU 典型供电电路由交流或者-48V输入转换产生48V(28V)/12V。而新型的RRU 设计包含+48V, 相对12V 总线而言,+48V 的优势是高压直流,其总线电流为原来12V总线的1/4 ,在相同的阻抗条件下的铜损为1/16,大大降低总线的导通损耗,同时高压总线的电容容量可以也有显著的降低。如果48V 直接转换到5.5V就容易进行2次电源(48V---12V----5.5V)的转换,这样可以减少在板的电源级数提高产品的可靠性。 图:48V 到PoL的电源链的改进PI33/PI34/PI35xx Cool-Power® ZVS降压稳压器为板级设计师提供最大功率密度,同时为高效负载点DC-DC稳压提供最大灵活性。高性能零电压开关(ZVS)拓扑结构的集成增加了负载点性能,提供了达98%的最佳功率效率。Cool-Power ZVS稳压器在一个高密度LGA系统级封装(SiP)中高度集成了控制电路、功率半导体和支持元件。在这里,Vicor 利用新型的高压零电压降压转换以及零电压升-降压实现48V 到负载点的直接转换。通过PI354x 和PI352x实现48V 单级转换到基带信号板的5V4 ,实现48V 转13.2V 给天馈供电。同时Vicor的特有的ZVS升降压转换实现21-60V 输入范围内28V/50V 可调输出。所有电路可以做错相并联的方法实现均流。这样在很小的面积上实现48V 到5V4 /200W的转换,也可以灵活实现分开2路供电。 同样对GaN功放,利用Vicor PI3741 非隔离高压升降压代替传统的隔离电源实现50V/28V 的PoL供电,提高供电效率。PI35XX/PI33XX 的特性输入电压 :12 V 输入 (8 – 18 V) 24 V 输入 (8 - 36 V)48 V 输入(36 - 60 V)输出电压 :宽输出范围 (1 – 16 V)输出功率 :8 A, 9A, 10 A,15A 和 20 A 版本性能: 高达98% 效率支持输出跟踪可编程软起动支持错相式均流并联支持输出精密恒流LED等类负载供电尺寸 :LGA 系统级封装: 10 x 14 x 2.56 mmLGA 系统级封装: 10 x 10 x 2.56 mmPI35XX 典型应用电路: PI35XX 典型应用电路PI35XX 典型扩展应用:通过PI35XX 的SyncO和SyncI简单连接实现信号的同步,输出简单并联即可。在多核FPGA、ASIC电路输出需要同步或跟踪, PI35xx芯片提供复杂的时序跟踪等功能,简化了电源监控电路的设计。 均流并联扩展与输出跟踪由Vicor 的PI35xx/PI33xx系列相比传统的电路提高了效率,也有其ZVS 技术的应用提高了开关频率,极大的减小的电感的尺寸。比差传统的硬开关电路, 在48Vin输入条件下效率由89% 的典型效率提升的94% 的效率,而面积为传统硬开关电路的 1/2 或更低。 Vicor PI3525 50V to 5V/20A vs LX5XXX 48V-5V/7A Efficiency Vicor PI3545 50V-5V/10A vs LX5XXX 48V-5V/7A EVBVicor PI35xx 和PI374x实现 48V 到基带处理板、GaN PA以及PA驱动 、天馈的供电方案。 实现整版96% 的高效率。 图:Vicor RRU供电解决方案注意:附件原理图以及PCB仅供参考,不可用作商业用途!附件截图:...
    来自:智能电网及电表时间:2016-07-18 vicor 射频供电
  • 数据中心(Data Center)供电解决方案分享

    前言:Vicor公司设计、制造和销售模块化功率元件,这些电源转换解决方案产品广泛应用于航空航天、高性能计算机、工业设备和自动化、电信、网络基础设施,以及车辆和运输领域。近年来云计算、大数据、社交、移动等热点不断冲击和影响着服务器市场,全球服务器市场也因此呈现出持续增长的态势。据Gartner数据显示,2014年全球服务器出货量同比虽增长,但势头缓慢。除了亚太和北美市场外,中国服务器市场成为全球出货量增长的源动力。2015年,IDC行业发生了深刻的变化,传统IDC企业逐步在向云计算转型,金融、电信、能源等信息化程度较高的重点行业对数据中心服务的更新改造需求,互联网、生物、动漫等新兴行业对数据中心的外包需求以及云计算带来的巨大市场机遇,将推动中国IDC业务市场不断扩大。我国出现数千台服务器数据中心机房,运行功率为数十兆瓦或更高(天河2号高达24兆瓦),而如何可靠安全地为这些数据中心的IDC设备供电时限制IDC设备发展的一个难点。IBM、Google、Facebook等公司在这些做了先行的研究并成功商业化。电网电压提供的是交流380V/220V,50Hz,而IT设备逻辑电路用的是直流低电压,这是两个不可改变的事实。为IT设备供电的电源设备自然是完成两种制式电压的转换。在20世纪70年代,由于功率半导体器件性能的进步,开关电源技术界开始了一场“20kHz的革命”,到90年代,计算机机内电源基本上都使用了无输入变压器的高频开关电源,计算机设备是可以由高压交流市电(无需降压)直接供电的,当然也是可以直接用高压直流供电的。在AC-DC系统拓扑中,都在改进配电效率但局限于系统局部性能的优化,无法实现整体规模的显著改善,很难超过几个百分点。据法国电信和中国移动的研究成果,用直流配电可以提高整机效率8%到10%。我们来了解交流供电和直流供电(48V中间总线)。交流供电是传统的变压器输入方法。需要交流UPS的AC-DC转换和DC-AC逆变转换两个步骤。系统中多了2级转换的两个谐波源——负载侧AC/DC变换器输入和和UPS输出的DC/AC逆变输出,降低的能源使用效率,同时故障级点的增加来更高的维护成本。对电网和系统本身形成干扰、增加滤波设备、降低输入功率因数和能源利用率,对零、地线系统提出苛刻的要求等。而直流系统免去交流UPS环节,直接用电池备份方案起源于上世纪90年代,省去交流系统的UPS逆变②和③。整机的可靠性可以提高约10%。降低设备的生产成本和维护成本。而效率可以得到提高。48V的直流系统供电成功用于电信级产品。在电信机房中,我们通过交流整流柜实现AC到48V的直流转换,与48V备用电池结合为为48V中间总线给DC-DC供电。48V产生12V总线为板上负载点供电,如处理器、专用网络处理器、内存、以及核心交换ASIC芯片等供电。 图1.高压直流供电, 即将交流整流成为380V直流与336V电池直接结合形成高压直流总线, 将大大降低在机房总线布线的铜损,机房布线380V总线相对48V总线电压升高8倍, 损耗降低 82 即64倍.高压直流电压380V分布整个设施,在本地负载点实现DC/DC转换。 还可以利用风能、太阳能等再生能源形成微电网给给整个设施供电。同时有效地降低单一电网供电保障难题。 图2. 在现行电路中,绝大多数的负载工作在12V 以下的电压下, 如硬盘马达驱动为12V,SSD为5V/3.3V,DDR工作在1.2V, CPU的核电压1.8V等。转换系统所面临的挑战都是有关高效而可靠的产生低压/大电流。HVDC也能满足这一条件, 用一个BCM ® 总线转换器, 通过变比K为1/8或1/23的转换产生 380V 到47.5V或11.875V 总线。 Vicor 的BCM总线转换器是一个正弦波振幅转换器(Sine Amplitude Converter TM, 即 SACTM),是一个零电压/零电流开关拓扑的架构,是一个隔离非稳压的DC-DC转换器。 除了输入/输出是直流电压,SAC像一个具有固定输入/输出电压比的交流变压器。SAC可以说实现98%的转换效率,同时由于SAC的软开关技术,开关频率超过了1MHz, 再实现如此高的效率的转换之外还可以在一个ChiP(Converter Housed inPackage)6123 (63.34 mm x 22.80 mm x 7.26 mm)封装中实现K=1/8即400V到50V 1750瓦的转换,功率密度高达3000瓦/立方英寸。 图3. BCM 转换器功率转换架构根据ETSI规范,336V备份电池正常的工作范围260V-410V, 当AC-DC失电情况下,备用电池总线电压因为放电而下降最低有可能为260V/8 即32V, 我们需要在ETSI定义的满量程电压范围内提供适配器或均衡器来保持48V的电压轨稳定,这里Vicor提供一个零电压开关架构的升降压(Buck- Boost converter)。这个Buck-Boost转换器实现预稳压功能模块及PRM (Post Regulation Module),在全型VI Chip 32.5mm*22mm*6.7 mm 实现600W, 而在与RJ-45以太网插头大小相近的半型尺寸的VI Chip可以实现300W的功率。在这两种情况下,该结构可以保持高效率、并且无缝、动态使用多个供电源,可以是高压整流柜的AC/DC、也可以算是再生能源或备用电池供电。 图4. PRM升降电路架构 图5. ETSI 定义工作范围我们先看传统的48V总线如线卡、路由器的架构的,在 交流整流柜或电池输出到380V总线经1/8转换得到一个32-50V的总线电压,经过升降压的调整实现一个48V/54V的稳定输出到板卡。 到板卡上再利用K=1/4 或1/5的IBC总线转换实现到12V/9.6V的总线,之后再通过多个nPoL分别实现CPU /DDR /GPU等供电。当然如果有AC/DC的输入设备,就需要48V到DC-AC 的逆变电路。 图6: 380V-48V 升降压均衡适配器在针对12V总线设备的过渡设计中,380V通过 K=1/32 变比实现12V的总线,硬盘/风扇类电机驱动需要一个升-降转换器。CPU/GPU/ASIC/DDR等由多个DC/DC转换实现。 图7: 380V-12V 部分升降压均衡适配器对于新型设计,380V通过 1/8 变比实现48V的总线 (32-50V),硬盘/风扇类电机驱动需要一个30-60V输入范围的ZVS降转换器。CPU/GPU/ASIC/DDR等由功率分比架构FPA(Factory Power Architecture)的PRM+VTM DC/DC转换实现。 图8: 380V-48V FPA VR13 架构根据典型CPU负载与输配电源计算三种不同配电方式的效率, 供电方式分别为AC-DC整流柜和满足ETSI(260V-400V)的高压直流(备用电池)供电方式。利用Vicor的 K=1/8 或K=1/32 的高压BCM可以实现对传统电路的改进,实现高效的高压直流的转换。Vicor ZVS Buck-Boost PRM应对ETSI规范的低压降至260V时中间总线的变换。 图9. 三种方案的功率链的效率分析为了实现380V 高压直流供电方式, 我们采用市场上现有在售的交流整流器、连接器、保险丝和配电布线构成一个完整的380V直流供电系统。艾默生、Vicor、Anderson Electric等之间的合作为多个负载点供电,有Intel的VR12.5 处理器的测试板、一台LAN交换机、一台1U的服务器和一台有显示器的电脑。 这里为了进一步证明概念的有效性, 我们利用Vicor FPA架构实现从48V直接转换到1.8V给Intel处理器供电,从而获得比传统高5%的效率。 图10. 高压直流供电演示图前面我们介绍了机房高压直流380V供电, 也介绍在电信级48V总线供电和传统12V的服务器供电方式。随着计算密度(CPU数量、内存、输入/输出等功能的扩展)和功耗的增加的矛盾日益突出。当计算节点数量增加和单板功率密度的增加推动整个机架的功率由传统的6到8KW上升到10KW或更高,传统的12V机架配电母线排及连接器尺寸和成本显著上升。当每个机架超过20KW时, 采用类似电信级设备的48V配电,每个机架上的功率达到80KW时,其母线排的电流和12V总线供电20KW 供电相当。IBCM基于Power7 的IBM BlueGene® /Q 就采用48V总线, 2011年Green 500获最高效率并在2012年Top500评为世界最高性能超级计算机,可实现20,132万亿次数浮点运算/秒(Floating-point operations per second)和20亿万个浮点运算/每秒/每瓦高能效。在传统的电信行业的路由器和交换机其处理器采用Qualcomm、Xlinx 等30-40W 专用集成电路(ASIC), 升级为80-150W专用集成电路。 随着3C的兴起电信级的服务器使用,以数据通讯为主。这些系统通常使用48V 总线电压。在CPU的全速、低速空闲、休眠等状态, CPU给电源的控制芯片发送串行电压识别指令(Serial Voltage Identification)监控调节、电压,所有的稳态或运算的动态期间,送到CPU的电压必需在预先严格定义的范围内,以最大限度地提高性能并减少系统崩溃的机会。 Intel的功率需求根据不同的平台如SandyBridge、Grantley、Purly规范了VR12.0、VR12.5以及VR13等规范。我们来看个处理器厂家的平台化演进,以Intel的至强® 和和IBM的Power PC为代表高性能计算机和Qualcomm (高通)、Xilinx (赛灵思)以及 Hisilicon(华为海思)代表ARM 或ASIC 处理器在通讯、网络产品的应用。 图11. 流行处理器的功率演进路标在传统的12V供电的系统, 我们需要通过48V机架转换到12V总线到主板,再在主板上通过VRM模块给CPU、内存、交换处理芯片等供电。而这个二级转换的效率计算在实际使用要考虑48V 总线起始点到VRM输出到CPU核电压点。48V总线和12V总线上的连接器和母线条上的损耗是不一样的,同时12V转换的Vcore轨的供电由于是多项降压电路, 其供电也不能以最小横向距离靠近CPU的核。 图12. 传统IBA 架构12V供电方案在今天的VRM功率的发展是以增加“项 (Phase)”数来实现,我们可以通过多项转换实现100A+ 的VRM,而在CPU预留的区域限制了VRM转换器功率的增加,一个可以优化供电的方式就是从48V直接到CPU插座本身。还有一个问题就是我们一些超级CPU的核供电电流实现200A或300A的电流消耗,而传统的多项控制最多是7~8项, 这样电流限制在200A以下的等级,给我一个演进的巨大挑战的空间。 图12. 传统IBA 架构12V供电CPU功率增加遇到巨大挑战Vicor提倡优化48V供电的优化方案,及功率分比架构(Power Factory Architecture)。分比电源架构采用一个新异的功率转换架构,实现典型DC-DC转换器的调节、电压转换功能,并分比成单个元件,然后这些单独元件可以设计成微型的Chip 封装,这些微小的电压稳定专用的我们称预稳压PRM (Post Regulation Module) 和电流倍乘VTM (即电压变压器, Voltage Transformer Module)。 PRM和VTM各司其职被安排在最佳的电源架构中。 图14. VicorFPA架构48V供电方案这里,PRN采用非隔离的Buck-Boost生-降压拓扑转换, 在范围内的变化的直流电压的输入,产生一个稳定可调整的直流电压输出即分比母线Vf,给后续的VTM变压器供电。VTM是一个采用“正弦波振幅转换器(Sine Amplitude Converter)”技术的固定变比DC-DC变压器,可直接向下转换分比母线Vf至CPU的内核,提供核电压Vcore。 由于零电压ZVS和零点零ZCS技术,转换器可以实现高效率和高功率密度,PRM的峰值效率高达97.8%, VTM峰值超过94%。利用FPA架构的电源系统,从整个系统到主板上,可以保持高效率的48V配电, 使PRM和靠近48V输入插座而VTM靠近CPU槽口。 这样实现了一个高效、小型的电源系统,包括之前IBM在BlueGene/Q系统中应用,现在Google在Open Power 上也向业内宣传他们的成熟方案。 图14. 谷歌在2016年三月的OCP的48V供电架构基于Intel VR12的规范开始,Vicor提供可以给完整的交钥匙方案。Vicor 的VI Chip 或(SM) ChiP组成一个电源传送链,采用一个独立的VID控制器, 充当CPU和FPA电源链路之间接口的转换器,这反过来利用有机的快速模拟控制回路提供了准确的CPU内核电压。 图15.采用48V-1.x处理器的FPA供电架构通过这个VR测试板,Vcore 不需要单独的48V-12V转换器,需要注意的是我们在VTM输出端子的也省去体积较大且笨重的的电解电容。 VTM可以尽量靠近CPU的插槽。图16.采用PI3751(PRM) 和VTM48MP020T88 实现48V-1.x处理器的FPA供电架构这里我们做一个负载的动态测试。负载电源有状态0到状态1 过渡,期间负载的加载电流由16A上升至147A。显示在不同的时间上, FPA系统可以在5uS内建立一个文迪、干净的响应。下图黄色表示电流、紫色表示VTT测试的电压(SMT 的陶瓷电容)。图17.FPA(左)与传统负载(右)负载动态响应对比采用Vicor的FPA架构,我们还可以利用VTM的正弦波振幅震荡技术降低对主板的噪声的。传统的多项降压电路需要多个给电感,这些电感的相对ZVS/ZCS的正弦波振幅有更大的噪声干扰。如下图:图18.传统多项降压(左) 与FPA(右)噪声干扰对比利用Vicor FPA架构,我们可以无需VID控制器实现ASIC 或通过其他的PMBus/AVS接口实现48V直接到处理器的供电方案。图19. FPA架构给ASIC 处理器供电Vicor提供完整的电源解决方案所需的功率元件,并在产品的规划不断创新发展来提高功率密度和提高效率。图20.对于一个完整的电源转换使用FPA分比架构电路或者使用IBA传统系统架构的电路相比较可以显著的减少尺寸、提高效率节省PCB的使用空间。电源转换部分电路的尺寸的减少意味着单板可以增加更多的计算功能(处理器可能有2片增加到4到8片,内存、数据转换等是增加)。 FPA供电方案比IBA的方案在主板上可以节省50%的面积,同时节省48V转12V的板外DC/DC转换器。在功率传输方面, FPA架构可以在负载的60%至100% 时高5% 的效率,对于一个145W的处理器来说可以降低转换损耗达10W,而我们再看CPU的使用率(85%占用)和机房的空调成本(70%)和每路CPU带8或者12DIM的内存条,我们的每路CPU最终可以节省14.5瓦的损耗。而我们普通的数据中心大约使用3万只这样的CPU, 按照用电的成本1元/度技术,我们每年数据中心可以节省330万元,这样我们在3年内就可以收回由VI 晶片投入的成本。图20. IBM P7 & Non IBM P8 在节省能源与倡导环保今天,以语音为中心的电信网络与数据(语音、视频、数据)为主的网络的融合,推动了从信息提供端到最终用户对用电的消耗增加。 与此同时,因为面临环境气候变化问题,我们提倡尽可能使用太阳能、风能等可再生能源,减少煤电、石油等燃料的使用。 1997年签订京都议定书,2009签订的哥本哈根协定已经欧洲的20-20-20能源战略举措是为了减少温室气体排放、降低能源消耗,并越来越多的使用可再生能源提供了一个管理框架和非常积极的目标。当今我们电源行业的响应这些举措,并利用先进的技术、创新的解决方案来满足属于其中一部分的电能转换环节。 在前沿的过渡时期,这些方案必须是开放性、先进性,并成熟的经过验证的安全可靠并可示范的技术及产品,这样可以说缩短研发上市时间。同时在整个行业基础上与各个供应商和组织的联盟合作,制定全面的标准,定义共同点,并尽量减少采纳障碍。注意:附件原理图以及PCB仅供参考,不可用作商业用途!附件截图:...
    来自:智能电网及电表时间:2016-07-18 vicor
  • HV BCM 促使电信设备设计在高压直流配电场合应用设计分享

    前言:电信或数据中心巨大的耗电量已迫使业界需要实行高压直流配电来改善效率,捉高运作效益。国际订立的直流标准是380VDC,其多样的好处已有很多文献阐述过了。高庄配电的数据中心现在已在全球各地实行起来了,可预期未来会越益普遍。电信设备设计在高压配电的场合运行,需将高压直流转换到低压48V或12V,再由下游的负载点转换功能,输出稳压的1V,3.3V, 5V等电压,供电给处理器,记忆体等所需的电力。这些设备安装大量的功能单板以至运作功率强大,每台设备动辄涉及数千瓦的电力传输。那么目前到底有没有高效的功率元件,适合甚或促使业界设计这些新设备呢?功率元件要有怎样的特性,才算是理想呢?是体积小,功率高,即高功密,高效率吧;还有什么呢?低噪声, 高可靠,易安装,应用简一当然; 是这些了罢,还想到什么?价格,货期,服务…?怎样才算高效率,DC一DC转换器几十年前80%效率已算高,目前已普遍做到90%,但这对于高功率的电信设备,还是不够的; 先说一说这个题外话,一个高密度高功率稳压隔离DC一DC转换器效率在92一95%已是相当理想,大家或许知道96%也能做到,但这是必然需牺牲了体积的,效率和体积很多时候是互相取舍的,原因是若要细小体积,就需高频开关,才可缩小使用的磁件,电容;而高频开关就要克服开关损耗,其正比于频率,平衡点大概就是得到约93%的效率而同时又得到体积细小的器件,这或许是目前最佳的取舍了。言归正传,本文要说明的是目前已有效率高达98%,功率达1.8 kW而体积只约61x23x7.3mm (见图1) 的高压隔离母线转换器,极为适合高压配电设备的设计应用。其还可直接并联扩展功率到数十千瓦。以下进一步说明这种器件的本质及其在高压配电设备应用的情况。慢着,刚才提到93%的效率是全功能转换器的体积效率最佳取舍,现又说这个细小的母线转换器已是98%,是否予盾?答曰无矛盾。理由是电信设备从380V隔离降压到48V或12V,并不需要精准,紧密的稳压输出,因此不需要带有闭环控制回路的高稳压率DC一DC转换器,而所说的母线转换器是个开环的固定变比器件,其实就是真正的变压器,是能够在直流操作的变压器,本质上能够双向传输功率的。其使用特殊的谐振零电压零电流开关方式,名为正弦振幅转换(SAC),效率极高,噪声低,在高压配电应用场合是最适合不过了。正弦振幅转换器(SAC)我们知道谐振式软开关,对比于硬开关可大大降低开关损耗而提升效率,其主因是使开关管(主要是埸效管)开关在零电流或零电压状态,其产生的开关电压或电流波型就像个准正弦波,谐波从而减低,噪声因而较小。SAC转换拓扑在这方面初看有相似的地方,但细看不如说它的操作是完全的截然不同。SAC是基于串联变压器的谐振拓扑,有别于ZVS/ZCS准谐振器。SAC在固定频率操作,该频率等于初侧端谐振电路的自然振盪频率;在初侧端的场效管被锁定在此自然振盪频率并在过零瞬间开关,消除开关功耗及大大降低高阶噪声谐波。在初侧端谐振电路的电流或电压是纯正弦的,不是方波,也不是其它谐振器的准正弦波,这也大大降低谐波而得出更低的输出噪声频谱,见图2。SAC是能够同时在零电压及零电流开关场效管的,开关损耗极低而能工作在数个MHz的高频,容许使用细小变庄器磁件,从而提升功率密度及效率。 Vicor的高压母线转换器 (HVBCM) 就是SAC的其中一员,具固定的数个MHz操作频率,不依负载变化。SAC对副侧负载增加的响应是增强在谐振电路正弦波的振幅,也就增强了能量的传递,藕合到副边、负载。当负载降低,正弦幅度下降,负载为零时,其趋向零。图1: 高压隔离母线转换器 (HVBCM) 外观图图2: 正弦振幅转换器(SAC)HVBCM 在高压配电电信设备的应用方式如是新建的电信设备,要在高压配电的场所运作,大可革命性创新设计,直接利用高庄直流为分布功率的源头母线,即设备机柜的背板电压就取自场所内供应的高压直流电压,机柜内的每个单板就直接置放HVBCM,把高压降到安全低庄如48V, 12V,再由负载点转换器提供稳压多路输出到所需负载如处理器,记忆体等,见图3。如此的在高压直接分布电力,完全消除了低压分布的超大电流困难。例如一个5kW的设备在12V分布电力意味母线导体要导电417A电流,而在380V分布则只是13A。在417A电流,每1m欧阻抗就损耗174W,根本是不可克服的困难。图 3: 设备单板在高压分布电力电信设备生产商或会有个疑问,电信发展已有多年历史,设备生产商已有大量低压运作良好的单板,而且正在各场所良好运作,发挥其功能。如要生产适合在高压配电场所运作的新设备,是否就要抛弃这些低压单板,重新设计新的单板?是的,电信生产商有大量旧有但又仍然运作且能满足要求的单板,而同时又要快速生产出高压配电适用的机柜设备,怎办?我们会看到,使用HVBCM也能照顾到这种情况,促使快速推出新设备而又可沿用本身已证明可靠的低压运作单板。让我们通过以下例子说明。设现已有大量48V输入的良好单板,要把它们组合出高压配电适用的设备,那么,设计的机柜当然要有48V的背板, 让这些单板取电。然而场所内的供电源是380VDC,那么机箱的设计只需附加上安装HVBCM的功率板,接受380V输入,提供48V电力到背板就可,见图4。图4: 设备改进使旧有低压单板可在高庄场合运作应用HVBCM把380V转到48V的电路非常简单, 见图 5。 使用两个HVBCM并联已组成出48V,3600W峰功率的功率板,这些功率板还能直接并联,扩大传送到48V背板的电力,如此就建构出高压配电场合适用的大功率设备。图5: HVBCM并联典型应用图注意:附件原理图以及PCB仅供参考,不可用作商业用途!附件截图:...
    来自:智能电网及电表时间:2016-07-19 vicor 高压直流配电
  • 高端交换机供电方案分享

    前言:Vicor公司设计、制造和销售模块化电源设备,新一代的电源产品在新能源,数据中心和通讯领域提供全球最小体积,最高功率密度的高可靠性电源晶片产品。通讯领域的高端交换机产品随着数据带宽的不断增加,对系统供电的要求也越来越苛刻,从最初的单板几百瓦功率已经发展到1500W-2000W单板功耗需求。传统的解决方案是砖式模块,随着单板功率的增加,以目前的电源方案48V总线转换成12V为例,需用3-4块1/4砖并联得到1000W左右的功率,用传统的反馈和拓扑技术制造的电源在减少PCB面积和提高效率方面已达到极限,对于更高功率要求的单板,未来的趋势是使用隔离固定比例输出,这种模式具有高效和高功率密度的特点。Vicor针对高端交换机路由器的需求开发了低压BCM(Bus Converter)系列产品,以通讯48总线为输入,输出为12V总线电压,具有业界最高功率密度。BCM6123T60E15A3T00产品有以下特点。 130A连续电流输出能力,最高1950W输出功率;高功率密度2870 W/in3,尺寸61.00*25.14mm*7.26mm,重量仅为41g;效率可达97.4%;多个单元任意并联,可以组成万瓦级产品。BCM6123T60E15A3T00产品突破了传统电源产品的思路,采用4:1固定比例输出,在动态响应和效率方面远远优于业界产品。拓扑技术是Vicor的核心技术之一,BCM产品采用的是SAC正弦波振幅转换技术,开关器件全部为ZVS/ZCS变换,不仅有效减少损耗,输出纹波几乎没有尖峰电压。封装技术方面,BCM产品采用Vicor独创的ChiP封装技术,在产品上下两面均封装了导热绝缘材料,两侧的引脚也可以把转换器内部的热量传导到线路板上面。下面是产品在不同温度环境下降额的数据。在满足散热条件下,可以实现100度满功率不降额。Vicor还开发了基于VIA(Vicor integrated Adaptor)工艺的BCM产品,它把BCM封装在一个四面的铜壳内,前端后端辅以滤波和接口电路。形成一个完整的适配器,BCM3814T60E15A3T3T02。BCM的原理图。对于高端交换机供电方案来说,Vicor的BCM产品提供了一个高密度,小体积的解决方案。代表行业最高的工艺水平。注意:附件原理图以及PCB仅供参考,不可用作商业用途!附件截图:...
    来自:通信与网络时间:2016-07-18 vicor 交换机
  • 系留无人机供电方案分享

    前言:Vicor公司设计、制造和销售模块化电源设备,新一代的电源产品在工业控制领域提供全球最小体积,最高功率密度,最高功率重量比的高可靠性电源晶片产品。系留无人机利用地面发电机或者市电通过自带几十米到几百米的供电电缆供电,可以实现24小时不间断留空,大重量载重升力的无人机方案。对于飞机而言,自重没增加1克就意味着负载能力减少1克。在有限的预算,功率的条件内,Vicor以最优的功率重量比提供电源支持方案,可以有效的提升客户的负载竞争能力。现在优秀的供电电缆重量在1.5kg/100米(10A通流能力)。从经济的角度来说,要求地面需要提供一个高压直流,通过电缆供给无人机。目前市面最成熟最普遍的方案就是把220VAC的交流电,通过PFC转换成380V的高压直流给无人机供电。通常的系留无人机按照功率来分成2类:3KW以内的小型系留无人机,以及3KW到10多KW的大型系留无人机。小功率无人机一般使用24V的直流电机,大功率的无人机一般使用48V的直流电机。以下展示了一个无人机的供电框图:从高压380V转到低压48V或者24V,根据安规的要求需要做隔离,以保证安全要求。后级更低的电压可以通过48V或者24V总线采用非隔离的方式或得。VICOR以最先进的电源技术,提供从380V到总线以及后端飞控系统,摄像头,云台,数传等系统的最轻,效率最高的供电方案。针对24V的小功率无人机,VICOR提供单片600W,重量仅29.2g,可并联的电源方案 – DCM模块。DCM是一个隔离式、稳压DC-DC转换器,可适应宽电压范围输入运行(长距离的电缆供电,由于线路阻抗的原因,在功率不同,输出端电压会有较大差异),产生稳定的输出电压。DCM300P240x600A40具有以下特点: 宽输入电压范围:(200-420)V;小体积:47.91mm*22.8mm,7.26mm,约半个普通打火机大小重量:29.2g,约半个土鸡蛋重。高功率重量比:20.55W/g,每克重量提供20.55W的功率输出;效率高达:93%单颗最大输出电流25A,功率600W,最多可8可并联,满足千瓦级输出;针对48V的大功率无人机,VICOR提供单片1750W,重量仅41g,可并联的电源方案 – BCM模块。BCM是一个隔离式、直流变压器形式的DC-DC降压器,可适应宽电压范围输入运行(长距离的电缆供电,由于线路阻抗的原因,在功率不同,输出端电压会有较大差异),产生按比例降低的输出电压BCM400y500x1K8A31具有以下特点: 宽输入电压范围:(260-410)V;小体积:63.34mm*22.8mm,7.26mm,约一个普通打火机大小重量:41g,约1个土鸡蛋重。高功率重量比:42.68W/g,每克重量提供高达42.68W的功率输出;效率高达:98%单颗最大输出功率1750W,最多可8可并联,满足万瓦级输出;VICOR同时也提供VIA 封装的BCM模块,支持48V电机的无人机,帮助客户简化散热设计,能快速完成产品设计和投产。BCM4414xD1E5135yzz具有以下特点: 宽输入电压范围:(260-410)V;单片输出电流高达35A,最多可8可并联,满足万瓦级输出即插即用:输入直连电源,输出直连负载即可。安装简洁:直接用螺丝固定在冷板上即可。针对后端的云台,数传,摄像机,飞控,VICOR提供业界高效的芯片级别的DCDC降压转化。PI33XX和PI354X是非隔离式的DCDC降压芯片。适应24V或者48V总线降压要求,有占板面积极小,外围电路很简单,效率高的特点。 输入电压范围: PI33XX:8V~36V, PI354X:36V~60V小体积:PI33XX:10 * 14*2.56 mm, PI354X:10 * 10 * 2.56 mm。大概指甲盖大小。占板面积小:PI33XX:14 * 19mm, PI354X:25 * 16mm。大概一个SIM卡大小。设计简单:只需要搭配功率电感和输入输出电容即可。效率高达93%。输出功率高达120W。注意:附件原理图以及PCB仅供参考,不可用作商业用途!附件截图:...
    来自:飞行器时间:2016-07-18 vicor 无人机

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发布于 2016 年 10 月 25日
更新于 2016 年 10 月 26日
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