Структуры систем электропитания

С развитием элементной базы процессоров, модулей памяти, специализированных микросхем изменяются требования к системе электропитания данных устройств, в зависимости от их мощности, номенклатуры питающих напряжений, величин токов и т.д.

Данные требования определяют основные структуры построения систем электропитания, а именно: централизованную, децентрализованную (распределенную) и распределенную структуру с промежуточной шиной.

Централизованная система электропитания

Централизованная система электропитания (Centralised Power Architecture, CPA) предполагает, что в одном основном источнике питания объединяются функции выпрямления и DC-DC преобразования.

Он преобразовывает первичное сетевое напряжение в несколько напряжений постоянного тока, необходимых для работы системы, которые поступают по отдельным шинам к соответствующим нагрузкам (см. рис. 1).

Рис. 1. Структура централизованной системы электропитания

Эта система очень эффективна по стоимости, не требует дополнительных DC-DC преобразователей, и характеризуется средней энергоэффективностью, т.к. отсутствуют потери на преобразование мощности, а выделение тепла и электромагнитные помехи сосредоточены в одном корпусе.

Для уменьшения распределенных тепловых потерь в проводниках центральный источник питания должен располагаться как можно ближе к нагрузке. С точки зрения безопасности и уменьшения электромагнитных помех, центральный источник лучше размещать рядом с источником переменного тока, но на практике одновременно выполнить оба этих требования бывает очень трудно. Возникают также трудности с распределением десятков, а иногда и сотен ампер тока на несколько низковольтных входов различных нагрузок.

При использовании централизованной системы бывает необходимо обеспечить отведение сотен ватт тепла из ограниченного пространства. Для предотвращения перегрева аппаратуры может потребоваться дополнительная система охлаждения, что увеличивает стоимость и снижает общую надежность системы.

Централизованная система электропитания применяется, как правило, для приложений, где в процессе эксплуатации не планируется расширение состава оборудования, которое потребует увеличения потребляемой мощности источника и номенклатуры выходных напряжений.

Распределенная система электропитания

В связи с появлением новых типов устройств и микросхем, на печатных платах могут одновременно находиться микросхемы с различными напряжениями питания; количество таких напряжений может доходить до шести-восьми, а токи потребления некоторых микросхем могут достигать 10 А и более.

При низких напряжениях питания и жестких допусках на их отклонение, требуется располагать отдельные DC-DC преобразователи непосредственно около их нагрузок. Система, имеющая децентрализованную структуру, в которой изолированные DC-DC преобразователи, располагаются рядом с обслуживаемой ими нагрузкой называется распределенной системой электропитания (Distributed Power Architecture, DPA) (см. рис. 2).

Рис. 2. Структура распределенной системы электропитания

Преимуществом распределенной системы электропитания является возможность внесения изменений в систему при наращивании объема оборудования или увеличении номенклатуры питающих напряжений.

Рассеиваемая мощность равномерно распределяется по всей системе, что позволяет значительно сократить, или исключить устройства принудительной вентиляции. Кроме того, довольно просто можно осуществить резервирование: достаточно параллельно поставить дополнительный DC-DC преобразователь там, где это требуется.

Однако стоимость распределенной системы может быть существенно дороже централизованной. Например, гальваническая развязка, преобразование, фильтрация электромагнитных помех и защита по входу осуществляются в каждом DC-DC преобразователе, поэтому стоимость системы электропитания напрямую зависит от количества преобразователей.

Распределенная система электропитания с промежуточной шиной

Для снижения стоимости системы электропитания у приложений с большой номенклатурой низковольтных напряжений применяется распределенная система электропитания с промежуточной шиной (Intermediate Bus Architecture, IBA).  

В данной структуре функции DC-DC преобразователя разделены между преобразователем промежуточной шины (Intermediate Bus Converter, IBC), который формирует напряжение на этой шине и обеспечивает гальваническую развязку, и неизолированными преобразователями (non isolated Point of Load, niPOL), которые выполняют окончательное преобразование и регулирование выходного напряжения.

Снижение стоимости всей системы происходит за счет применения неизолированных DC-DC преобразователей, более дешевых чем полнофункциональные DC-DC преобразователи. Данные преобразователи, как правило, имеют меньшие габариты, вес и более высокий КПД по сравнению с изолированными DC-DC преобразователями.

В системе электропитания с промежуточной шиной входное постоянное напряжение (например, 48 В) преобразуется изолированным DC-DC преобразователем в промежуточное постоянное стабилизированное напряжение шины (например, 5 или 12 В), необходимое для питания неизолированных DC-DC преобразователей (см. рис. 3).

Рис. 3. Структура распределенной системы электропитания с промежуточной шиной

Преобразователь промежуточной шины важно располагать как можно ближе к нагрузке, т.к. при использовании промежуточной шины на 12 В токи, протекающие через нагрузку, в четыре раза превышают токи в системе электропитания на 48 В. Поэтому необходимо применять более толстые медные проводники и более короткие линии связи.

Напряжение 12 В для промежуточной шины является достаточно большим с точки зрения его эффективного преобразования до низковольтного напряжения питания нагрузки (менее 2 В), т.к. коэффициент преобразования становится слишком высоким.

Для снижения коэффициента преобразования, либо уменьшают напряжение на промежуточной шине (например, до 5 В), или используют дополнительный неизолированный DC-DC преобразователь, непосредственно для нагрузки с очень низким питающим напряжением.

Следует учесть, что в системе с промежуточной шиной из-за отсутствия в неизолированных преобразователях гальванической развязки может быть более высокий уровень помех в нагрузке, по сравнению с системой с изолированными DC-DC преобразователями.