【经验】用于新一代图形处理器（GPU）四种不同的降压转换器架构，使用GaN器件的效率最高

时间： 2019-06-25 来源：EPC

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人工智能（AI）、游戏、云计算和自动驾驶汽车都采用最新一代的图形处理器（GPU）来代替CPU。基于AI的车辆通常以48V作为带GPU的电路板的主要供电电压，而最终的电压则必须在1V或更低的范围内。所以我们要了解的是，从48V降压至1V所需的架构是什么。

候选架构

第一种为隔离砖式DC-DC转换器，广泛用于复杂系统中需要高可靠性，高效率和稳健性的应用，DOSA（分布式电源开放标准联盟）标准中的最新技术是使用eGaN FET的八分之一砖转换器设计。其基本设计是采用硬开关，完全稳压的PWM 48-12V降压转换器，具有全桥输入和中心抽头同步整流器输出。典型的硅基八分砖转换器显示出最大输出功率水平接近300W，峰值效率约为96％。

图1 基于硅MOSFET的典型商用八分之一砖转换器及其基本规格（顶部）和使用eGaN FET的EPC9115八分之一转换器及其规格（底部）

第二种为非隔离式DC-DC转换器，在基于GaN FET的情况下，非隔离式DC-DC转换器尺寸小巧且经济高效。使用EPC2053 eGaN FET构建25A、48V至5-12V转换器。EPC9093 GaN开发板配置为同步降压转换器，主功率级面积仅为10×9mm，是硅当量的一半，可产生5至12V的输出电压。EPC2053是第5代eGaN FET，额定电压为100V，典型导通电阻为3mΩ，可承载32 A连续电流，工作温度高达150°C。与硅同类产品相比，EPC2053具有更低的寄生电容和导通电阻，即使在更高的开关频率下也能实现更快的开关和更低的功率损耗。这些特性使紧凑型转换器能够产生高输出功率。当以700kHz开关频率降压48V至12V时，EPC9093在为15A负载供电时达到97％的峰值效率，并在25A负载下保持96.5％的效率。

图3 EPC9093开发板简化示意图。左下图为带有EPC2053 eGaN FET的功率级。右下图为EPC2053 100V eGaN FET视图，具有3mΩ的典型导通电阻

第三种为LLC转换器，48V降压LLC直流变压器采用LLC拓扑结构，可提供高功率密度和高效率的DC-DC功率转换。当作为具有固定转换比的直流变压器运行时，该转换器可在宽工作范围内保持高效率，使其非常适合对输出电压调节有宽松要求的应用。LLC可以在足够高的频率下工作，使寄生元件可以用作电路元件，有助于最小化物理元件数量。

图4显示了具有中心抽头同步整流器的N：1全桥LLC转换器的原理图。该电路采用ZVS为所有开关器件工作。初级侧器件为EPC2053晶体管，次级整流器为典型值为1.15mΩ，额定电压为30V的EPC2023。该LLC转换器也采用8：1的变压器设计，采用14层PCB，电感值为2.2μH。

图4 配置有中心抽头整流器的N：1 LLC转换器简化原理图。下面是1MHz，900W，48-12V LLC转换器及其尺寸

第四种为DHIC转换器，基于Dickson开关电容转换器的新型48-1V双电感混合转换器（DIHC）已被提出用于解决传统方案的缺点。DIHC在输出端采用两个交错电感，消除了混合Dickson转换器中的两个大型同步开关。与混合Dickson转换器相比，这些改进使开关导通和飞电容对直流输出阻抗的贡献减少近2倍，因此传导损耗比混合Dickson转换器小2倍。此外，具有自然自平衡电流的两个交错式电感器使DIHC具有与用于高电流应用的多相转换器相同的优点，而无需额外的电流平衡复杂性。DIHC还使用分相操作来实现对所有电容器的完全软充电。

优化中间总线电压

我们现在可以转向第二阶段的效率。将各种商用POL转换器的峰值效率与第一级转换器的效率相乘，可以合理估算从48到1V的峰值效率。

表1 商业降压转换器比较

最佳效率来自DIHC或LLC与第二级6V_OUT的耦合。然而，DIHC拓扑结构相对较新，尚未被广泛采用。新的AI和游戏应用正在迅速采用48V_IN-6V_OUT LLC，再加上6V_IN-1V_OUT降压转换器，因为它具有高效率、高功率密度和低成本。传统的砖式转换器将会存在很多年，但可能不会在前沿的高密度计算系统中有所应用。

在采用48V_IN的所有拓扑结构中，使用GaN器件的效率最高。这是由于它们的电容较低且尺寸较小。随着最近GaN功率晶体管的价格下降，与硅基转换器的成本比较现在在所有领先的解决方案中都非常有利于GaN。

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全部评论（2）

lgg Lv7. 资深专家 2020-10-09

学习
maomao Lv8. 研究员 2019-06-25

学习了~~

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