クオーターブリックは電力密度、効率のレベルを向上

最新のサーバ、ワークステーションや通信機器で一般的な中間バスアーキテクチャ（IBA）は、ブリックと呼ばれる各種の絶縁型DC/DCコンバータによって有効化されていることがよく知られています。 より低いDCバス電圧を提供することによって、これらのブリックは、システムボードにわたってマイクロプロセッサ、FPGAや、ASICのような様々な電子負荷を駆動するための高効率、高密度、非絶縁ポイントオブロード（POL）降圧レギュレータを、システム設計者が迅速に構築するのを可能にします。 POLレギュレータを構築する作業は、降圧比が小さくなるため、より簡単になっています。

最近、TechZoneの記事「より高い電力、効率、および密度の1/8ブリックコンバータ」によると、1/8ブリックコンバータがより高い効率、デジタル制御、およびより低いコストで、同じ標準の2.3 × 0.9インチ（58 X 23mm）フットプリントからより多くの電力を引き出すように開発されていたことが示されました。 その結果、これらのブリックは競争力のある価格で、より高い効率と密度を著しく小さい1/8ブリックフットプリントでクオーターブリックの電力および機能を提供しました。 同時に、システムボードが速い応答と高い効率とともにより多くの電力を要求しているため、ブリックメーカーはまたクオーターブリックの性能と電力を増大しました。 さらに、PMBusのようなインタフェースがデジタル制御のために追加されています。

CUI、GE Critical Power、Murata Power Solutions、Bel Power Solutions、およびVicorなどのようなメーカーによるクオーターブリックの改善の模索について、この記事では、クオーターブリックがハーフおよびフルブリックのタスクを処理するために、どのように改善していくかを説明します。

レベルを向上

例えばVicorは効率レベルを向上しながら、同時に電力エンベロープをより高く推進しています。 最近、同社は>98％のピーク効率でクオーターブリックのフットプリントから850Wの出力電力を絞リ出しました。 VicorのVI Brick^® IBCシリーズの一部であるIB050Q096T70N1-00は、前例のない効率性と過渡応答とともに、最小のスペースで最大の使用可能電力を供給することができます。 業界標準の5:1固定比率コンバータ用のドロップインアップグレードとして提供されるIBCモジュールは、入力から出力への2,250V_DC絶縁を備え、36〜60Vの入力電圧範囲で動作します。 このモジュールは、同時に非常に高いピーク効率を実現します（図1）。 これは最大80Aの定格ですが、850Wの出力に対して入力電圧範囲は55～60Vです。同様に、550Wの出力に対しては、DC入力範囲は36～54Vです。サプライヤによると、2.30 x 1.45 X 0.42インチのクオーターブリックモジュールのオープンフレーム構造は、下流の部品の温度上昇を最小限に抑えるために、モジュールの上部および下部への空気の流れを促進します。 その結果、これは熱的に制約のあるシステムで最大の使用可能電力を生み出し、設計者が貴重な基板スペースを節約し、わずか400LFMの空気流で65°Cの周囲温度での全負荷運転を達成することを可能にします。 Vicorの製品データシートによると、IBCモジュールは独自の正弦振幅コンバータトポロジを使用して、10倍の割合で過渡応答時間を削減しながら電力密度と効率を高めるために、より高い周波数でスイッチします。 その結果、中間バスにわたるバルクコンデンサの必要性を排除します。


図1：VicorのVIブリックIBCのクオーターブリックは、55°Cの周囲温度で98パーセントのピーク効率を示します。

特許取得済みのSolusパワートポロジーを取り入れ、CUIもテレコムシステムやデータセンターで使用される中間バスコンバータの立ち上がり電力要件に対応するように設計されたNQBシリーズ クオーターブリックの電力密度を増大しました。 同社のNovumアドバンストパワーポートフォリオの一部として、NQBシリーズは96％以上の効率を提供しながら、12V_DCの出力で36〜60V_DCの入力範囲からクオーターブリックフットプリントで720Wまでサポートすることが可能です。 NQB製品は、最終的には9.6 V_DCの出力とともに、より広い入力範囲をサポートします。 その他の機能には、DOSAフットプリント互換性のためのオプション、リモートオン/オフおよび負荷共有機能が含まれます。

デジタル制御

デジタル制御のために、サプライヤは負荷条件が大きく変動するアプリケーション向けに効率曲線を最大化し、平準化するために電力最適化ファームウェアを備えた32ビットARMベースのマイクロコントローラを内蔵したNQB-Dシリーズを提供します。 また、PMBus改訂1.2インターフェイスは、遠隔制御および監視のために利用可能であるだけでなく、出力電圧、電圧マージニング、障害管理、精密遅延ランプアップおよびスタート/ストップのためにブリックを設定します。

同様に、GE Critical Powerは、DOSA準拠のクオーターブリックフットプリントで完全な安定化を提供する、同社の高電力Barracuda製品ラインにデジタル制御を組み込みました。 PMBusを装備したBarracudaブリックは、非絶縁POLコンバータを駆動するための9.6～12V_DCの中間バス電圧を実現するように設計されています。 36～75V_DCの入力範囲で、12V_DC出力のQBDW025A0Bは、300Wの出力電力の定格を持ちます（図2）。 これはPMBus 1.2仕様のコマンドのサブセットをサポートしています。 サポートされるコマンドは、製品データシートに詳細に記載されています。 PMBusを使用してプログラムされたコントローラパラメータは、後で使用するためにデフォルトとして保存することができます。 クォーターブリックQBDW025A0Bは不揮発性メモリを含み、構成設定とスケールファクタを格納するために使用されます。


図2：BarracudaシリーズのメンバーであるGE Critical PowerのDOSA準拠クオーターブリックQBDW025A0Bは、12V_DCで300Wの出力電力定格を持ちます。

96%またはそれ以上の効率を達成するために、Barracudaブリックは、革新的なパッケージングとともに同期整流を組み込みます。 出力は完全に入力から絶縁されているので、多目的の極性構成および接地接続が可能です。 加えて、内蔵の入力と出力のフィルタリングで、このDC/DCコンバータは外部フィルタリングを最小にします。

Barracudaブリックの出力は、過電流、過電圧、および過熱に対して保護されています。 より高い電力要件に対して、QBDW025A0Bパワーモジュールは並列動作のためのオプション機能を提供します。 これは正確な、強制出力電圧負荷安定化ドループ特性を提供します。 GEによると、出力設定値とドループスロープは、複数のモジュールの負荷安定化特性の最適なマッチングを保証するために工場で較正されます。 負荷分散を実装するための要件は、よくデータシートで説明されています。 その他のオプションには、熱管理のためのベースプレートとフォールトシャットダウン後の自動再起動が含まれます。

ベースプレートは、自然対流と強制対流環境の両方で使用するとき、熱性能を向上します。 さらに、これはまたベースプレートが大きなヒートシンクまたはコールドプレートに取り付けられた場合、ユニットが伝導性冷却用途に展開されるのを可能にします。

より広い入力電圧範囲

通常、ブリック型コンバータの入力電圧範囲は2:1で、最大動作電圧が最小値の約2倍であることを意味します。 典型的な例は18V〜36Vおよび36V～75Vです。しかし、機器が利用可能な電圧がかなり異なる可能性のある環境に展開されるアプリケーションに対しては、Murata Power SolutionsやBel Power Solutionsのようなメーカーは、超広範囲の入力電圧範囲を備えたモデルを提供しています。 そのような製品では、入力範囲を3:1かそれ以上にすることができます。

良い例は、MurataのクオータークオーターブリックコンバータのUWQ-12/20-T48です。 無線バックホール、広範囲のネットワーキング、その他の電気通信アプリケーション向けに設計されたこのコンバータは、DOSA互換のオープンフレームクオータークオーターブリックパッケージから20Aで12V_DCを提供するために18～60V_DCの入力を受け付け、わずか58.4 X 36.8 X11.7mm（2.3 × 1.45 X 0.46インチ）を占有します。 タイトな負荷とライン安定化を提供するこのユニットは、出力電圧が負荷の変化の下で±1.25%を超えて変動しないことを保証します。 典型的な効率は92%で、最大3台までが並列に動作することができ、冗長性や高い出力電力用に負荷分散を提供します（図3）。 オン/オフリモート制御を提供するだけでなく、クオータークオーターブリックコンバータは、過電流、過温度、入力不足電圧、および出力短絡回路に対する保護を提供します。 ここでも、オプションのベースプレートは、伝導冷却のために使用可能です。


図3：Murataの絶縁型クオーターブリックは、より高い出力電流用に並列に接続することができます。

UWQシリーズでは、Murataもまた4:1の入力能力を備えたクオーターブリックを追加しました。 そういったメンバーの1つはUWQ-12/17-Q48で、公称48Vの入力に対して18～75V_DCの入力範囲備えています。 固定DC出力は、17A電流で12Vです。 その他の機能には、リモートオン/オフ制御、DOSA互換のピン配列とフォームファクタ、豊富な自己保護、OVP、入力不足電圧、電流制限、サーマルシャットダウンなどがあります。

同様に、Bel Power SolutionsはUIQと名付けられたDOSA互換の240Wクオーターブリックシリーズを用意し、18V～75Vの広いDC入力に対処し、12、5、または3.3VのDC出力を生成します。例えば、モデルUIQ48T20120は、20Aで12V_DCを92%以上の効率とともに提供します。 これは特に、限られたエアフローと増加した周囲温度を持つシステムで動作するように調整されています。 さらに、ブリックモジュールは、コールドプレートとヒートシンクのオプション用に効果的な熱インターフェースを提供するヒートスプレッダを備えています（図4）。


図4：Bel Power SolutionsのDOSA互換クオーターブリックUIQ48T20120は、さらにコンバータの熱性能を向上させるためにヒートスプレッダを備えています。

要約すると、クオーターブリックDC/DCコンバータは、ボード上により多くの機能を追加しながら、電力密度、変換効率、および熱的性能に新たな基準を設定しています。 その結果、クオーターブリックは、以前にはハーフおよびフルブリックに割り当てられたタスクを処理しています。

この記事で説明したコンバータの詳細については、DigiKeyウェブサイトの製品ページにアクセスするために提供されているリンクを使用してください。