許多電源系統設計人員將穩壓的DC-DC轉換器視為整體設計的關鍵。但將合適的電壓提供給負載點穩壓器，不一定都需要穩壓的PDN，或者對於中繼配電母線電壓而言，PDN穩壓並不那麼重要。考慮這一點時，電源系統工程師應該考慮應用固定比率DC-DC轉換器，它可顯著地提升PDN的整體效能。
PDN效能與電壓轉換比例/系統負載息息相關
PDN效能通常以功耗、暫態響應、實體尺寸、重量及成本來衡量。影響PDN效能的一個主要設計挑戰是電壓轉換的比例和高準確度的線/負載調整率。工程師花了大量的時間來處理不同的輸入/輸出電壓轉換率，動態調整率以及分布特性，來提高效能和可靠性。
如果系統負載功耗處於千瓦級範圍內，採用高電壓設計大容量PDN，可減少在系統中的電流等級(P=V×I)，因此可以縮小PDN尺寸，減輕重量並降低成本(纜線、母線排、主機板電源層銅箔)(PLOSS=I2R)。在轉換為低電壓/大電流前，最大限度延長高電壓傳輸距離，以盡可能縮短至負載距離是一大優勢。
但要讓高電壓、高功率PDN接近負載，則需要具有高效率及高功率密度的DC-DC轉換器。如果輸入至輸出電壓轉換比例很大，例如800V或400V轉48V，最高效率的轉換器是提供非穩壓的固定比率轉換器。這些高效率的轉換器，不僅可提供更高的功率密度，而且還因較低的功耗，可提供更便捷的熱管理。
固定比率轉換器設計實現彈性供電
固定比率轉換器的工作原理與變壓器類似，但它進行的不是AC-AC轉換，而是DC-DC轉換，輸出電壓為DC輸入電壓的固定比例。與變壓器一樣，這種轉換器不提供輸出電壓穩壓，輸入至輸出變壓由裝置的「匝數比」決定。該匝數比稱為K因子，表示為一個相對於其電壓降壓能力的分數。K因子從K=1到K=1/72不等，可根據PDN架構及PoL穩壓器設計規格進行選擇。
典型PDN電壓有低電壓(LV)、高電壓(HV)和超高電壓(UHV)(表1)。
固定比率轉換器可以是隔離式，也可以不是隔離式，而且可透過反向電壓轉換實現雙向功率轉換。例如，一款支援雙向功能的K=1/16固定比率轉換器可以作為一款K=16/1的升壓轉換器(圖1)。而額外的設計靈活性包括易於併聯(可滿足更高功率的電源要求)和串聯轉換器輸出的選項(可透過有效改變K因子，提供更高的輸出電壓)等(圖2、3)。
眾多終端市場及應用的電源需求急劇上升，因此供電網路正在經歷重大變革。由於新特性的增加以及效能等級的不斷提升，更高的PDN電壓(如48V)正在用於電動汽車、輕型混合動力車以及插電式混合動力汽車。48V符合許多系統要求的安全電氣低電壓(SELV)標準，而P=V×I和PLOSS=I2R的簡單電源方程式也說明了高電壓PDN效率更高的原因所在。
就一固定功率而言，與12V系統相比，48V系統電流為1/4、線路功耗為1/16。在1/4的電流下，纜線和連接器可以更小、更輕，而且成本也會更低。用於混合動力汽車的48V電池功率是12V電池的4倍，增加的電源可用於動力系統應用，以減少二氧化碳排放，提高燃油里程數並增加新的安全及娛樂特性。
在資料中心機架中增加人工智慧(AI)，使機架電源需求提高到20kW以上，因此12V PDN在使用方面既笨重，效率又低。使用48V PDN，則可獲得與混合動力汽車相同的優勢。在汽車及資料中心應用中，最好保留原有12V負載及PoL常用降壓穩壓器，以最大限度減少需要修改的內容。
非隔離固定比率轉換器實現高效電壓轉換
48V符合SELV標準，因此非隔離固定比率轉換器是48V至12V DC-DC轉換級的選擇之一，因為目前的PoL 12V穩壓器能夠因應輸入電壓的變化。非隔離、非穩壓固定比率轉換器是最高效的高功率母線轉換器，可實現更低功耗、更高功率密度以及更低的成本。此一高密度有助於最新分散式配電架構用於混合動力汽車，其中非隔離固定比率轉換器可布置在負載旁邊，因此可在汽車周圍最大限度地運作更小、更高效的48V PDN。在刀峰伺服器中，這種小型非隔離式48V至12V固定比率轉換器可以布置在靠近降壓穩壓器的主機板上。
許多全新AI加速卡如NVIDIA的SXM以及開放式運算計畫(OCP)成員的OAM卡都設有48V輸入，因為AI處理器功率級在500至750W之間。要讓依然在其機架中使用12V PDN背板的雲端運算及伺服器公司使用這些高效能卡，就需要實現12V至48V的轉換。在這些加速卡上(或在更高功率的分散式12V至48V模組中)增加一款雙向K=1/4非隔離固定比率轉換器，作為12V至48V升壓轉換器(K=4/1)，可輕鬆地將AI功能引進舊式機架系統。其中，如Vicor NBM2317可將48V高效轉換為12V，也可將12V高效轉換為48V，因為NBM是一款雙向轉換器。雙向性可將原有電路板整合在48V基礎架構中，也可將最新GPU整合在原有12V機架中(圖4、5)。
高電壓應用四大需求到位
電動汽車
在電動汽車應用中，電源需求決定了電池電壓必須遠遠高於目前混合動力汽車使用的48V，通常選擇400V。400V轉換為48V，配送給動力總成及底盤周圍的不同負載。為支援快速充電，400V電池由提供穩壓800V DC輸出的充電站透過800V至400V轉換器充電。
在400V/48V及800V/400V應用中，由於功率要求高，可有效使用具有高功率密度、效率在98%以上的隔離式K：1/8(400/48)及K：1/2(800/400)固定比率轉換器並聯陣列。穩壓可在固定比率轉換器級前面或者後面提供。未穩壓的功率密度及效率提升，不僅在這一極高功率應用中的這個位置效果顯著，而且還可簡化熱管理。
高效能運算
高效能運算(HPC)系統機架功率級通常高於100kW，因此使用380V DC作為主要PDN。在這些應用中，K：1/8與K：1/16的隔離式固定比率轉換器整合在伺服器刀鋒中或透過機架配電的卡上，為主機板提供48V或12V電源。隨後由12V多相降壓轉換器陣列或更高效率的先進48V至PoL架構提供穩壓。固定比率轉換器的密度和效率又一次在實現這類PDN架構中發揮重要作用，可實現高效能。
繫留無人機
另一項需要隔離的高電壓應用就是繫留無人機。繫留無人機的電源線長度可能會超過400公尺，無人機必須將其提起並保持，才能達到其飛行高度。使用800V等高電壓，可顯著縮減這些笨重電源線的尺寸、重量和成本，進而可實現效能更高的無人機(圖6)。使用板載固定比率轉換器(一般K=1/16)轉換至48V，可提供非常高效的極小供電解決方案，充分滿足機載電子產品及視訊有效負荷的需求。
5G通訊
現在，全世界都在提升4G無線電和天線塔為之前4G設備5倍的最新5G系統。4G PDN為48V，透過纜線從地面電源系統提供。新增5G設備，功率級顯著提升，如果PDN要保持在48V電壓下，那直徑就會非常大，電線就會很重。電信公司正在研究使用380VDCPDN的優勢，以顯著縮小纜線尺寸。在升壓模式下使用雙向K1/8固定比率轉換器，地面48V電源系統可向塔頂提供380V的電源(K：8/1)。4G和5G系統在塔頂使用380V至48V穩壓轉換器，不僅可獲得48V穩壓電源，而且還可透過380V細小電線實現更低成本的供電。
固定比率轉換器實現高效能PDN
高效能電源需求在不斷上升。企業及高效能運算先進系統、通訊與網路基礎設施、自駕車以及大量交通運輸應用，只是需要更多電源的高成長產業中的幾個市場。這些市場有一個共同的特點：每個都有極大的電力需求，可以從高功率密度的小型DC-DC轉換器解決方案中獲益，節省空間並減輕重量。電源系統工程師應當把固定比率轉換器作為實現更高效能PDN的重要高靈活解決方案，以在整體系統效能方面獲得競爭優勢。
(本文作者為Vicor全球銷售及市場行銷副總裁)
