쿼터 브릭으로 출력 밀도와 효율의 기대치 향상

현대 서버, 워크스테이션 및 전기 통신 장비에 공통적인 중간 버스 아키텍처(IBA)가 브릭이라고 불리는 다양한 분리형 DC/DC 컨버터로 활성화된다는 사실은 잘 알려져 있습니다. 이러한 브릭은 낮은 DC 버스 전압을 제공함으로써 시스템 설계자는 시스템 기판에 걸쳐 마이크로 프로세서, FPGA 및 ASIC 등 다양한 전기 부하를 구동하기 위한 고효율, 고밀도, 비분리형의 부하점(POL) 벅 조정기를 빠르게 구축할 수 있습니다. 강압 비율이 작아졌기 때문에 POL 조정기를 구축하는 작업은 이제 더 단순해졌습니다.

최근 TechZone 기사 '더 높은 전력, 효율 및 밀도의 1/8브릭 컨버터'에서는 1/8브릭 컨버터가 동일한 2.3" x 0.9"(58mm x 23mm)의 표준 풋프린트로부터 더 높은 효율, 디지털 제어 및 더 낮은 단가로 더 많은 전력을 갖추도록 개발되었음을 설명했습니다. 그 결과 이러한 브릭은 상당히 작은 1/8브릭 풋프린트에서 경쟁력 있는 가격에 더 높은 효율과 밀도로 쿼터 브릭의 전력과 기능을 제공했습니다. 동시에 브릭 제조업체는 시스템 기판에서 더 빠른 응답 및 더 높은 효율을 갖춘 전력에 대한 수요가 증가하고 있기 때문에 쿼터 브릭의 성능과 전력도 향상시켰습니다. 아울러 PMBus와 같은 인터페이스도 디지털 제어를 위해 추가되었습니다.

이 기사에서는 CUI, GE Critical Power, Murata Power Solutions, Bel Power Solutions 및 Vicor 등의 제조업체를 통한 쿼터 브릭의 향상을 통해 어떻게 쿼터 브릭이 하프 및 풀브릭의 작업까지 처리할 정도로 지위가 높아지고 있는지를 살펴봅니다.

기대치 높이기

예를 들어 Vicor는 전력 포락선을 높이는 동시에 효율 기대치를 높이고 있습니다. 최근에 이 회사는 850W의 출력 전력을 쿼터 브릭 풋프린트로부터 98% 이상의 피크 효율로 추출했습니다. Vicor의 VI Brick^® IBC 계열의 일부인 IB050Q096T70N1-00은 최대의 사용 가능한 전력을 최소한의 공간으로부터 유례 없이 뛰어난 효율 및 과도 상태 응답으로 전달할 수 있습니다. 산업용 표준 5:1 고정 비율 컨버터용 드롭인 업그레이드로 제공되는 IBC 모듈은 36V ~ 60V 입력 전압 범위에서 입력에서 출력까지 2,250V_DC의 분리로 작동합니다. 이 모듈은 동시에 매우 높은 피크 효율성을 달성합니다(그림 1). 이 모듈은 최대 80A로 정격화되어 있지만 850W 출력인 경우 입력 전압 범위는 55V ~ 60V입니다. 마찬가지로 550W 출력인 경우 DC 입력 범위는 36V ~ 54V입니다. 공급업체에 따르면 2.30" x 1.45" x 0.42" 쿼터 브릭 모듈의 개방 프레임 구성은 모듈의 위아래로 공기 유량을 용이하게 하여 다운스트림 부품의 온도 상승을 최소화합니다. 그 결과 이 모듈은 열적으로 제한된 시스템에서 최대한의 사용 가능한 전력을 제공함으로써 설계자는 소중한 기판 공간을 절약하고 65°C의 주변 온도에서 400LFM 공기 유량만으로 최대 부하에서 작동할 수 있습니다. Vicor의 제품 규격서에 따르면 IBC 모듈은 전력 밀도 및 효율을 높이기 위해 독점적인 Sine Amplitude Converter 토폴로지를 사용하여 높은 주파수에서 스위칭하면서 과도 상태 응답 시간은 10배로 줄입니다. 그 결과 중간 버스에 걸친 벌크 커패시터의 필요성을 제거합니다.


그림 1: Vicor의 VI Brick IBC 쿼터 브릭은 98%의 피크 효율과 55°C의 주변 온도를 나타냅니다.

또한 CUI는 특허 받은 Solus 전력 토폴로지를 통합하여 전기 통신 시스템 및 데이터 센터에서 사용되는 중간 버스 컨버터의 높아지는 전력 요구 사항을 해결하기 위해 설계된 NQB 계열 쿼터 브릭의 전력 밀도를 향상시켰습니다. 이 회사의 Novum Advanced Power 포트폴리오의 일부인 NQB 계열은 쿼터 브릭 풋프린트에서 최대 720W를 36V ~ 60V_DC의 입력 범위에서 12V_DC 출력으로 지원하면서 96% 이상의 효율성을 제공할 수 있습니다. NQB 제품은 향후에는 더 넓은 입력 범위와 9.6V_DC도 지원할 것입니다. 추가 기능으로는 DOSA-풋프린트 호환성, 원격 켜기/끄기 및 부하 공유 기능 옵션 등이 있습니다.

디지털 제어

디지털 제어에 대해 제조업체는 NQB-D 계열을 제공하는데 이는 32비트 ARM 기반 마이크로 컨트롤러를 전력 최적화 펌웨어와 통합하여 부하 조건이 매우 다양한 응용 제품의 효율 곡선을 극대화하고 평평하게 합니다. 또한 PMBus 개정 1.2 인터페이스를 사용하여 원격 제어 및 모니터링뿐만 아니라 출력 전압, 전압 한계치 관리, 고장 관리, 정밀 지연 증가 및 시작/중지를 위한 브릭 구성이 가능합니다.

마찬가지로 GE Critical Power는 DOSA 준수 쿼터 브릭 풋프린트에서 완전한 조정을 제공하는 고전력 Barracuda 라인에 디지털 제어를 통합했습니다. PMBus가 장착된 Barracuda 브릭은 비분리 POL 컨버터 구동을 위해 9.6V ~ 12V_DC의 중간 버스 전압을 전달하도록 설계되었습니다. 36V ~ 75V_DC 입력 범위에서 12V_DC 출력을 갖는 QBDW025A0B는 300W 출력 전력에 정격화되어 있습니다(그림 2). 이는 PMBus 1.2 사양에서 명령어 하위 집합을 지원합니다. 지원되는 명령어에 대한 세부 설명은 제품 규격서에서 확인할 수 있습니다. PMBus를 사용하여 프로그래밍된 컨트롤러 파라미터는 나중에 사용하도록 기본값으로 저장할 수 있습니다. 쿼터 브릭 QBDW025A0B는 구성 설정 및 배율 조정 저장을 위한 비휘발성 메모리를 포함합니다.


그림 2: GE Critical Power Barracuda 계열의 DOSA 준수 쿼터 브릭 QBDW025A0B는 12V_DC에서 300W 출력 전력에 정격화되어 있습니다.

96% 이상의 효율을 달성하기 위해 Barracuda 브릭은 동기식 정류 기술을 혁신적 패키징과 함께 통합합니다. 출력은 입력에서 완전하게 분리되므로 다목적 극성 구성과 접지 연결이 가능합니다. 또한 내장된 입력 및 출력 필터링으로 DC/DC 컨버터는 외부 필터링을 최소화합니다.

Barracuda 브릭의 출력은 과전류, 과전압 및 과온으로부터 보호됩니다. 더 많은 전력이 요구되는 경우 QBDW025A0B 전력 모듈은 병렬 작동을 위한 옵션 기능을 제공합니다. 이 모듈은 정밀한 강제 출력 전압 부하 조정 강하 특성을 제공합니다. GE에 따르면 출력 설정값 및 강하 경사는 보정된 초기 설정값으로 제공되어 여러 모듈의 부하 조정 특성의 최적 정합을 보장합니다. 부하 공유 구현을 위한 요구 사항은 규격서에 잘 설명되어 있습니다. 기타 옵션에는 열 관리용 바닥판 및 고장 전원 차단 후 자동 재시작이 포함됩니다.

바닥판은 자연 대류 및 강제 대류 환경에서 사용 시 열 성능을 향상시킵니다. 또한 이를 통해 장치를 바닥판이 더 큰 열 싱크 또는 냉각판에 부착된 전도 냉각형 응용 제품에 배치할 수 있습니다.

더 넓은 입력 전압 범위

보통 브릭 유형 컨버터의 입력 전압 범위는 2:1, 즉 최대 작동 전압은 최소 전압의 약 2배입니다. 통상의 예로는 18V ~ 36V 및 36V ~ 75V이 있습니다. 하지만 사용 가능한 전압이 상당히 이질적인 환경에 장비를 배치할 수 있는 응용 제품인 경우 Murata Power Solutions 및 Bel Power Solutions 등의 제조업체에서는 매우 넓은 입력 전압 범위를 제공합니다. 이러한 제품에서 입력 범위는 3:1 또는 그보다 더 넓을 수 있습니다.

그 예로 Murata의 쿼터 쿼터 브릭 컨버터 UWQ-12/20-T48이 있습니다. 무선 백홀, 광범위한 네트워킹 및 기타 무선 통신 응용 제품을 위해 설계된 이 컨버터는 58.4mm x 36.8mm x 11.7mm(2.3" x 1.45" x 0.46")에 불과한 DOSA 호환 개방 프레임 쿼터 쿼터 브릭 패키지로부터 18V ~ 60V_DC의 입력으로 12V_DC(20A 기준)를 제공합니다. 엄격한 부하 및 라인 조정을 제공하는 이 장치는 출력 전압이 부하 변화에 대해 ±1.25% 이상 변하지 않도록 보장합니다. 통상 효율은 92%이고 최대 3개의 장치를 동시에 작동시켜 더 높은 출력 전력에 대한 중복 또는 부하 공유를 제공할 수 있습니다(그림 3). 원격 켜기/끄기 제어 외에도 쿼터 쿼터 브릭 컨버터는 과전류, 과온, 입력 저전압 및 출력 단락에 대한 보호를 제공합니다. 마찬가지로 전도 냉각을 위한 바닥판 옵션도 사용 가능합니다.


그림 3: Murata의 분리형 쿼터 브릭은 더 높은 출력 전류를 위해 병렬로 연결할 수 있습니다.

Murata는 UWQ 계열에 4:1 입력 기능을 가진 쿼터 브릭을 추가했습니다. 그 중 하나로 48V의 공칭 입력에 대해 18V ~ 75V_DC 입력 범위를 갖춘 UWQ-12/17-Q48이 있습니다. 고정 DC 출력은 12V(17A 전류 기준)입니다. 기타 특징으로는 원격 켜기/끄기 기능, DOSA 호환 핀 아웃 및 폼 팩터, 광범위한 자가 보호, OVP, 입력 저전압, 전류 제한 및 과열 시 전원 차단을 포함합니다.

마찬가지로 Bel Power Solutions은 18V ~ 75V의 광범위한 DC 입력을 해결하고 12V, 5V 또는 3.3V의 DC 출력을 생성하는 DOSA 호환 240W 쿼터 브릭 계열 지정 UIQ를 출시했습니다. 예를 들어 UIQ48T20120 모델은 12V_DC(20A 기준)를 92% 이상의 효율로 제공합니다. 이 모델은 공기 유량이 제한되어 있고 주변 온도가 상승하는 시스템에서 작동하는 경우를 위해 특별히 맞춤화되었습니다. 또한 이 브릭 모듈은 냉각판 및 방열판 옵션을 위한 효과적인 열 인터페이스를 제공하는 열 확산기를 갖추고 있습니다(그림 4).


그림 4: Bel Power Solutions의 DOSA 호환 쿼터 브릭 UIQ48T20120은 열 확산기를 갖추고 있어 컨버터의 열 기능을 더욱 향상시킵니다.

결론적으로 쿼터 브릭 DC/DC 컨버터는 전력 밀도, 변환 효율 및 열 성능에 대한 새로운 표준을 설정하면서 기판에 더 많은 기능을 추가하고 있습니다. 그 결과 쿼터 브릭은 과거 하프 및 풀브릭에 할당되었던 작업을 처리하고 있습니다.

여기에서 설명한 컨버터에 대한 자세한 내용을 보려면 제공된 링크를 사용하여 DigiKey 웹 사이트의 제품 페이지에 액세스하십시오.