未來電源發(fā)展的架構(gòu)--分比式功率

近年電子及數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及分布式供電系統(tǒng)的推廣， DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用越來越廣， 新的微處理器、記憶體、DSP及ASIC都趨向要求低電壓、大電流供電。 面對(duì)新世代的電子器件和負(fù)載，電源業(yè)要面對(duì)重大的挑戰(zhàn)， 產(chǎn)品除了能在低電壓輸出大電流外， 還要做到體積小、重量輕、動(dòng)態(tài)反應(yīng)快， 噪聲小和價(jià)錢相宜。 這些需求促使業(yè)界重新審視現(xiàn)有和架構(gòu)。

　　電源架構(gòu)的發(fā)展 （CPA）

　　集中式電源，這是zui基本的電源結(jié)構(gòu)，簡單、成本輕。它把從前端到DC-DC轉(zhuǎn)換的功能集中在個(gè)框架， 減少占用負(fù)載點(diǎn)的電路板空間， 避免串接作多次功率轉(zhuǎn)換，效率較佳，也相對(duì)能處理散熱及EMI問題。 設(shè)計(jì)師也需要在I2R功耗與EMI兩方面平衡考慮，決定電源與負(fù)載的距離。雖然集中式電源在很多應(yīng)用上運(yùn)作良好，但對(duì)要求低電壓、多個(gè)負(fù)載點(diǎn)的應(yīng)用，不是很適合。

　　分布式架構(gòu) （DPA）

　　自80年代，電源模塊面世后，分布式架構(gòu)被采用，成為zui常用的架構(gòu)。（磚式的電源模塊齊備了DC-DC轉(zhuǎn)換器的三項(xiàng)基本功能: 、變壓和穩(wěn)壓，工程師可以把電源模塊置在系統(tǒng)電路板上，靠近負(fù)載供電。 分布式架構(gòu)是由較粗糙的DC母線（般為48V或300V）供電， 再由放置在系統(tǒng)電路板旁的DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成合適的電壓為負(fù)載供電。這種布局可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，避免整個(gè)系統(tǒng)在低電壓操作所產(chǎn)生的問題。

　　分布式電源的成本般較，尤其是在負(fù)載數(shù)目多的情形下，需要占用較大的電路板空間。而且在每個(gè)負(fù)載點(diǎn)都重復(fù)包括、變壓、穩(wěn)壓、EMI濾波和輸入保護(hù)等功能，模塊的成本自然增大。

　　中轉(zhuǎn)母線架構(gòu) （IBA）

　　中轉(zhuǎn)母線架構(gòu) （圖1） 彌補(bǔ)了分布式電源架構(gòu)的缺點(diǎn)。它把DC-DC轉(zhuǎn)換器的、變壓及穩(wěn)壓功能分配到兩個(gè)器件。 IBC （中轉(zhuǎn)母線轉(zhuǎn)換器） 具變壓及功能。niPoL （非負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器） 則提供穩(wěn)壓功能。 IBC把半穩(wěn)壓的分布母線轉(zhuǎn)為不穩(wěn)壓及的中轉(zhuǎn)母線電壓（般是12V）， 供電給連串的niPoL。 niPoL 靠近負(fù)載， 提供變壓及穩(wěn)壓功能。IBA 的理念是把母線電壓降至個(gè)稍稍于負(fù)載點(diǎn)的電壓， 再由較便宜的降壓器（niPoL）來完成余下的工作。降壓器（niPoL）經(jīng)由電感器傳輸電壓到負(fù)載，這電壓相等于上開關(guān)和下開關(guān)共同端電壓的平均值，等如上開關(guān)電壓占空比與中轉(zhuǎn)母線的乘積。

　　中轉(zhuǎn)母線架構(gòu)的問題是令I(lǐng)BC和niPoL均能操作的條件是互相沖突的。 圖2比較了多個(gè)把48V分布母線轉(zhuǎn)為1V用的方法， 各分布母線的寬度了所帶的電流。

　　*個(gè)例子顯示由48V直接用niPoL轉(zhuǎn)為1V，雖然電流和功耗都很少，但niPoL的占空比只有2%。占空比太低，會(huì)引發(fā)峰值電流，輸入輸出紋波太大，瞬態(tài)反應(yīng)慢，噪聲及功率密度低等問題。

　　第二個(gè)例子，以IBC轉(zhuǎn)換48V母線至12V中轉(zhuǎn)電壓，niPoL的占空比是8%，改進(jìn)不大。而IBC所帶的電流比*個(gè)例子四倍。避免分布損耗，母線的截面面積需增大16倍，或縮短IBC與niPoL的距離。

　　余下兩個(gè)例子顯示利用IBC轉(zhuǎn)換48V至3V或2V。電壓越低，占空比越。但中轉(zhuǎn)母線電流亦越大，分布損耗多。由于母線電流，在這兩個(gè)例子中，IBC與niPoL 要靠得很近。在2V的例子，niPOL的占空比是5, 很好, 但此時(shí)IBC要跟著niPOL的尾巴走, 彼此靠近得如同整體是個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器,說明將DC-DC轉(zhuǎn)換器分開兩個(gè)器件的甩的在IBA是達(dá)不到的， 重復(fù)分布式架構(gòu)的困局，不能發(fā)揮IBA的優(yōu)點(diǎn)。

　　IBA的另個(gè)問題是niPOL的瞬變反應(yīng)。niPOL能否地按負(fù)載變化加大或減少電流呢? 它的根本難處是它把電感器放錯(cuò)了位置。

　　電感器內(nèi)的電流變化率由加于電感器上的電壓決定。在低電壓應(yīng)用時(shí)，當(dāng)負(fù)載處于大電流狀態(tài)， 它的電流變化率受輸出電壓所限。當(dāng)輸出電壓越低，電流變化率越小， 需要長的時(shí)間減低電流，即越難停止電感的慣電流，復(fù)原的時(shí)間亦長，需要在輸出加上大電容。

　　在niPOL前放置的大電容， 雖負(fù)責(zé)濾波及維持低阻抗， 但對(duì)負(fù)載旁路效果不大。 由于電感的位置不當(dāng)，產(chǎn)生電流慣，因此需要在輸出加上大電容以保持穩(wěn)定。

　　總的來說， IBA架構(gòu)內(nèi)存在固有的互相抵觸的效應(yīng)，它的根本原因可追索到基本的奧姆定律，只能在某些范圍內(nèi)折沖使用。 但對(duì)另些應(yīng)用，以上提到的缺點(diǎn)便浮現(xiàn)出來了。

分比式功率架構(gòu) （FPATM）

　　分比式功率架構(gòu)把DC-DC轉(zhuǎn)換器的功能重新編排; 并以晶片封裝的元件來實(shí)現(xiàn)。 它的主要元件是預(yù)穩(wěn)壓模塊（PRM）和電壓轉(zhuǎn)變模塊（VTM）。PRM只有穩(wěn)壓功能， VTM具變壓和功能，PRM和VTM合起來，就能實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換器的功能。 PRM可接受寬廣的輸入電壓及把它轉(zhuǎn)換為個(gè)穩(wěn)壓的分比母線（Vf）傳送到VTM。 VTM作為負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，把分比母線升壓或 降壓，提供電壓給負(fù)載。負(fù)載變化由反饋電路傳到PRM，由PRM 調(diào)控分比電壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

　　跟分布式架構(gòu)或中轉(zhuǎn)母線架構(gòu)不樣， 在分比式架構(gòu)， 穩(wěn)壓功能由PRM提供, 可遠(yuǎn)離負(fù)載。VTM作為負(fù)載點(diǎn)的轉(zhuǎn)換器， 它不需要提供穩(wěn)壓的功能， 可以無須靠近負(fù)載。 它只負(fù)責(zé)按K比值 “倍大電流” 或 “降低電壓” （VOUT = Vf K），VTM可在整個(gè)轉(zhuǎn)換周期傳送電流，它的占空比是百份百。FPA以分比母線傳輸功率，可以較隨意的選擇電壓，無須如前所述的IBA架構(gòu)，因固有的沖突，中轉(zhuǎn)電壓只能選定在稍于負(fù)載的電壓，否則它的占空比將無法管理。

　　由于VTM負(fù)責(zé)在負(fù)載點(diǎn)變壓，它的K比值zui可達(dá)到200，分比母線因此無須受負(fù)載電壓，可設(shè)定在點(diǎn)上，甚至可把分比母線設(shè)定跟電源電壓相同。如圖5， 負(fù)載電壓是1V，分比母線可設(shè)定為48V，不受負(fù)載電壓或PRM與VTM的距離影響，不需在輸送損耗與轉(zhuǎn)換損耗中折沖取舍。重點(diǎn)是FPA把變壓的部份放在負(fù)載點(diǎn)，克服了IBA面對(duì)的難題，占空比可達(dá)。FPA的瞬變反應(yīng)較IBA理想。如前述，IBA把電感器放在中轉(zhuǎn)母線與負(fù)載之間，產(chǎn)生電流慣。在FPA分比母線與負(fù)載之間沒有電感器（圖6），由于VTM不受電感慣左右，可的反應(yīng)負(fù)載變化。在分比母線的電容由于沒有電感的阻隔，可對(duì)負(fù)載旁路，該電容相等于在負(fù)載加上1/K2倍電容值，這便無須在負(fù)載點(diǎn)加上大電容。圖7清楚表示在FPA只需用上4uF的電容便可以取代IBA中的10000uF電容。

 FPA的架構(gòu)

　　PRM內(nèi)的系統(tǒng)和輔助ASICs令PRM可以用不同的方法來VTM的輸出電壓。

　　本地閉環(huán)（圖8）是zui簡單的方法。PRM感應(yīng)它自己的輸出電壓，再調(diào)整及維持分比母線電壓在個(gè)常數(shù)。負(fù)載電壓按VTM的輸出阻抗的比例升降 （Vf K-IoutRout）。 個(gè)PRM可同時(shí)連接多個(gè)VTM。

　　自適應(yīng)閉環(huán)（圖9）。由VTM把訊號(hào)傳送給PRM，讓PRM調(diào)整分比母線。以補(bǔ)償VTM的輸出阻抗。自適應(yīng)閉環(huán)只需要在VTM與PRM之間接上簡單、非的反饋電路，它的穩(wěn)壓便可達(dá)+/-1%。

　　遙感閉環(huán)（圖10）把負(fù)載電壓反饋到PRM。這方法的穩(wěn)壓zui可達(dá)+/-0.2%，但可能需要反饋環(huán)路。PRM可連接多只VTM，其中個(gè)VTM提供反饋訊號(hào)。

　　分比式功率架構(gòu)，未來的電源架構(gòu)

　　盡管IBA對(duì)于低電壓應(yīng)用，它仍然是及成本低的方案，但由于IBA有其固有的局限，在結(jié)構(gòu)上互相沖突，它需要妥協(xié)折沖傳輸損耗與轉(zhuǎn)換損耗，及犧牲瞬變反應(yīng)。

　　反觀FPA及VI晶片，沒有了這些局限。VI晶片是靈活、的元件，它可以用在集中式、分布式和中轉(zhuǎn)母線架構(gòu)，工程師可即時(shí)提升系統(tǒng)的表現(xiàn)，大大縮小系統(tǒng)空間，改善瞬變、散熱噪聲等的問題。FPA及VI晶片，將是未來電源架構(gòu)及元件的*。