电源架构 分比式功率

近年电子及数据产业的发展及分布式供电系统的推广, DC-DC转换器的应用越来越广, 新的微处理器、记忆体、DSP及ASIC都趋向要求低电压、大电流供电。 面对新世代的电子器件和负载,电源业要面对重大的挑战, 产品除了能在低电压输出大电流外, 还要做到体积小、重量轻、动态反应快, 噪声小和价钱相宜。 这些需求促使业界重新审视现有技术和架构。

电源架构的发展 (CPA)

集中式电源,这是最基本的电源结构,简单、成本轻。它把从前端到DC-DC转换的功能集中在一个框架, 减少占用负载点的电路板空间, 避免串接作多次功率转换,效率较佳,也相对能容易处理散热及EMI问题。 设计师也需要在I2R功耗与EMI两方面平衡考虑,决定电源与负载的距离。虽然集中式电源在很多应用上运作良好,但对要求低电压、多个负载点的应用,不是很适合。

分布式架构 (DPA)

自80年代,电源模块面世后,分布式架构被广泛采用,成为最常用的架构。(砖式的电源模块齐备了DC-DC转换器的三项基本功能: 隔离、变压和稳压,工程师可以把电源模块置在系统电路板上,靠近负载供电。 分布式架构是由较粗糙的DC母线(一般为48V或300V)供电, 再由放置在系统电路板旁的DC-DC转换器转换成合适的电压为负载供电。这种布局可以改善系统的动态反应,避免整个系统在低电压操作所产生的问题。

分布式电源的成本一般较高,尤其是在负载数目多的情形下,需要占用较大的电路板空间。而且在每一个负载点都重复包括隔离、变压、稳压、EMI滤波和输入保护等功能,模块的成本自然增大。

中转母线架构 (IBA)

中转母线架构 (图1) 弥补了分布式电源架构的缺点。它把DC-DC转换器的隔离、变压及稳压功能分配到两个器件。 IBC (中转母线转换器) 具变压及隔离功能。niPoL (非隔离负载点转换器) 则提供稳压功能。 IBC把半稳压的分布母线转为不稳压及隔离的中转母线电压(一般是12V), 供电给一连串的niPoL。 niPoL 靠近负载, 提供变压及稳压功能。IBA 的理念是把母线电压降至一个稍稍高于负载点的电压, 再由较便宜的降压器(niPoL)来完成余下的工作。降压器(niPoL)经由电感器传输电压到负载,这电压相等于上开关和下开关共同端电压的平均值,等如上开关电压占空比与中转母线的乘积。

中转母线架构的问题是令IBC和niPoL均能有效操作的条件是互相冲突的。 图2比较了多个把48V分布母线转为1V用的方法, 各分布母线的宽度代表了所带的电流。

第一个例子显示由48V直接用niPoL转为1V,虽然电流和功耗都很少,但niPoL的占空比只有2%。占空比太低,会引发高峰值电流,输入输出纹波太大,瞬态反应慢,噪声高及功率密度低等问题。

第二个例子,以IBC转换48V母线至12V中转电压,niPoL的占空比是8%,改进不大。而IBC所带的电流比第一个例子高四倍。避免分布损耗,母线的截面面积需增大16倍,或缩短IBC与niPoL的距离。

余下两个例子显示利用IBC转换48V至3V或2V。电压越低,占空比越高。但中转母线电流亦越大,分布损耗更多。由于母线电流高,在这两个例子中,IBC与niPoL 要靠得很近。在2V的例子,niPOL的占空比是50%, 很好, 但此时IBC要跟着niPOL的尾巴走, 彼此靠近得如同整体是一个DC-DC转换器,说明将DC-DC转换器分开两个器件的甩的在IBA是达不到的, 重复分布式架构的困局,不能发挥IBA的优点。

IBA的另一个问题是niPOL的瞬变反应。niPOL能否快速地按负载变化加大或减少电流呢? 它的根本难处是它把电感器放错了位置。

电感器内的电流变化率由加于电感器上的电压决定。在低电压应用时,当负载处于大电流状态, 它的电流变化率受输出电压所限。当输出电压越低,电流变化率越小, 需要更长的时间减低电流,即越难停止电感的惯性电流,复原的时间亦更长,需要在输出加上大电容。

在niPOL前放置的大电容, 虽负责滤波及维持低阻抗, 但对负载旁路效果不大。 由于电感的位置不当,产生电流惯性,因此需要在输出加上大电容以保持稳定。

总的来说, IBA架构内存在固有的互相抵触的效应,它的根本原因可追索到基本的奥姆定律,只能在某些范围内折冲使用。 但对另一些应用,以上提到的缺点便浮现出来了。

分比式功率架构 (FPATM)

分比式功率架构把DC-DC转换器的功能重新编排; 并以晶片封装的元件来实现。 它的主要元件是预稳压模块(PRM)和电压转变模块(VTM)。PRM只有稳压功能, VTM具变压和隔离功能,PRM和VTM合起来,就能实现DC-DC转换器的功能。 PRM可接受宽广的输入电压及把它转换为一个稳压的分比母线(Vf)传送到VTM。 VTM作为负载点转换器,把分比母线升压或 降压,提供隔离电压给负载。负载变化由反馈电路传到PRM,由PRM 调控分比电压,实现稳压。

跟分布式架构或中转母线架构不一样, 在分比式架构, 稳压功能由PRM提供, 可远离负载。VTM作为负载点的转换器, 它不需要提供稳压的功能, 可以无须靠近负载。 它只负责按K比值 “倍大电流” 或 “降低电压” (VOUT = Vf ? K),VTM可在整个转换周期传送电流,它的占空比是百份之一百。FPA以分比母线传输功率,可以较随意的选择电压,无须如前所述的IBA架构,因固有的冲突,中转电压只能选定在稍高于负载的电压,否则它的占空比将无法管理。

由于VTM负责在负载点变压,它的K比值最高可达到200,分比母线因此无须受负载电压限制,可设定在任何一点上,甚至可把分比母线设定跟电源电压相同。如图5, 负载电压是1V,分比母线可设定为48V,完全不受负载电压或PRM与VTM的距离影响,不需在输送损耗与转换损耗中折冲取舍。重点是FPA把变压的部份放在负载点,克服了IBA面对的难题,占空比可达100%。FPA的瞬变反应较IBA理想。如前述,IBA把电感器放在中转母线与负载之间,产生电流惯性。在FPA分比母线与负载之间没有电感器(图6),由于VTM不受电感惯性左右,可快速的反应负载变化。在分比母线的电容由于没有电感的阻隔,可对负载有效旁路,该电容相等于在负载加上1/K2倍电容值,这便无须在负载点加上大电容。图7清楚表示在FPA只需用上4uF的电容便可以取代IBA中的10000uF电容。

分比式功率架构,未来的电源架构

尽管IBA对于低电压应用,它仍然是有效及成本低的方案,但由于IBA有其固有的局限,在结构上互相冲突,它需要妥协折冲传输损耗与转换损耗,及牺牲瞬变反应。

反观FPA及VI晶片,没有了这些局限。VI晶片是非常灵活、高效的元件,它可以用在集中式、分布式和中转母线架构,工程师可即时提升系统的表现,大大缩小系统空间,改善瞬变、散热噪声等的问题。FPA及VI晶片,将是未来电源架构及元件的典范。