未來(lái)電源發(fā)展的架構(gòu)

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(lái)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(qián)相宜。這些需求促使業(yè)界重新審視現(xiàn)有技術(shù)和架構(gòu)。

電源架構(gòu)的發(fā)展(CPA)

集中式電源，這是最基本的電源結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單、成本輕。它把從前端到DC-DC轉(zhuǎn)換的功能集中在一個(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)能容易處理散熱及EMI問(wèn)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)被廣泛采用，成為最常用的架構(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:隔離、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(xiàn)(一般為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(wèn)題。

分布式電源的成本一般較高，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。而且在每一個(gè)負(fù)載點(diǎn)都重復(fù)包括隔離、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(xiàn)架構(gòu)(IBA)

中轉(zhuǎn)母線(xiàn)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)換器的隔離、變壓及穩(wěn)壓功能分配到兩個(gè)器件。IBC(中轉(zhuǎn)母線(xiàn)轉(zhuǎn)換器)具變壓及隔離功能。niPoL(非隔離負(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(xiàn)轉(zhuǎn)為不穩(wěn)壓及隔離的中轉(zhuǎn)母線(xiàn)電壓(一般是12V)，供電給一連串的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(xiàn)電壓降至一個(gè)稍稍高于負(fù)載點(diǎn)的電壓，再由較便宜的降壓器(niPoL)來(lái)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(kāi)關(guān)和下開(kāi)關(guān)共同端電壓的平均值，等如上開(kāi)關(guān)電壓占空比與中轉(zhuǎn)母線(xiàn)的乘積。

中轉(zhuǎn)母線(xiàn)架構(gòu)的問(wèn)題是令I(lǐng)BC和niPoL均能有效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(xiàn)轉(zhuǎn)為1V用的方法，各分布母線(xiàn)的寬度代表了所帶的電流。

第一個(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)高峰值電流，輸入輸出紋波太大，瞬態(tài)反應(yīng)慢，噪聲高及功率密度低等問(wèn)題。

第二個(gè)例子，以IBC轉(zhuǎn)換48V母線(xiàn)至12V中轉(zhuǎn)電壓，niPoL的占空比是8%，改進(jìn)不大。而IBC所帶的電流比第一個(gè)例子高四倍。避免分布損耗，母線(xiàn)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，占空比越高。但中轉(zhuǎn)母線(xiàn)電流亦越大，分布損耗更多。由于母線(xiàn)電流高，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50%,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一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器,說(shuō)明將DC-DC轉(zhuǎn)換器分開(kāi)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的另一個(gè)問(wèn)題是niPOL的瞬變反應(yīng)。niPOL能否快速地按負(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，需要更長(zhǎng)的時(shí)間減低電流，即越難停止電感的慣性電流，復(fù)原的時(shí)間亦更長(zhǎng)，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)生電流慣性，因此需要在輸出加上大電容以保持穩(wěn)定。

總的來(lái)說(shuō)，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)另一些應(yīng)用，以上提到的缺點(diǎn)便浮現(xiàn)出來(lái)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(lái)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具變壓和隔離功能，PRM和VTM合起來(lái)，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)換為一個(gè)穩(wěn)壓的分比母線(xiàn)(Vf)傳送到VTM。VTM作為負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，把分比母線(xiàn)升壓或降壓，提供隔離電壓給負(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(xiàn)架構(gòu)不一樣，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(wú)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=VfK)，VTM可在整個(gè)轉(zhuǎn)換周期傳送電流，它的占空比是百份之一百。FPA以分比母線(xiàn)傳輸功率，可以較隨意的選擇電壓，無(wú)須如前所述的IBA架構(gòu)，因固有的沖突，中轉(zhuǎn)電壓只能選定在稍高于負(fù)載的電壓，否則它的占空比將無(wú)法管理。

由于VTM負(fù)責(zé)在負(fù)載點(diǎn)變壓，它的K比值最高可達(dá)到200，分比母線(xiàn)因此無(wú)須受負(fù)載電壓限制，可設(shè)定在任何一點(diǎn)上，甚至可把分比母線(xiàn)設(shè)定跟電源電壓相同。如圖5，負(fù)載電壓是1V，分比母線(xiàn)可設(shè)定為48V，完全不受負(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)100%。

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(xiàn)與負(fù)載之間，產(chǎn)生電流慣性。在FPA分比母線(xiàn)與負(fù)載之間沒(méi)有電感器(圖6)，由于VTM不受電感慣性左右，可快速的反應(yīng)負(fù)載變化。在分比母線(xiàn)的電容由于沒(méi)有電感的阻隔，可對(duì)負(fù)載有效旁路，該電容相等于在負(fù)載加上1/K2倍電容值，這便無(wú)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的控制架構(gòu)

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

本地閉環(huán)(圖8)是最簡(jiǎn)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(xiàn)電壓在一個(gè)常數(shù)。負(fù)載電壓按VTM的輸出阻抗的比例升降(VfK-IoutRout)。一個(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(xiàn)。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(jiǎn)單、非隔離的反饋電路，它的穩(wěn)壓精度便可達(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)壓精度最高可達(dá)+/-0.2%，但可能需要隔離反饋環(huán)路。PRM可連接多只VTM，其中一個(gè)VTM提供反饋訊號(hào)。

分比式功率架構(gòu)，未來(lái)的電源架構(gòu)

盡管IBA對(duì)于低電壓應(yīng)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(guān)FPA及VI晶片，沒(méi)有了這些局限。VI晶片是非常靈活、高效的元件，它可以用在集中式、分布式和中轉(zhuǎn)母線(xiàn)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(wèn)題。FPA及VI晶片，將是未來(lái)電源架構(gòu)及元件的典范。