系統(tǒng)電源架構(gòu)的發(fā)展

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系統(tǒng)電源架構(gòu)的發(fā)展

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。系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)一直受到電子整機(jī)系統(tǒng)多功能、小型化雙重需求的挑戰(zhàn)，使系統(tǒng)電源架構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)歷了從早期的集中式電源架構(gòu)（CPA）向分布式電源架構(gòu)（DPA）的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，伴隨DPA發(fā)展起來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)封裝化“磚式模塊”，也為系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的便利性和靈活性。

1.集中式電源架構(gòu)(CPA)
集中式電源是最基本的電源結(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。它把前端到DC/DC變換的功能集中在一個(gè)框架中，可減少占用負(fù)載點(diǎn)的電路板空間，避免多次功率變換，效率較佳，處理散熱及EMI問(wèn)題相對(duì)容易。在其設(shè)計(jì)中需要在I2×R功耗與EMI兩方面進(jìn)行平衡考慮，進(jìn)而決定電源與負(fù)載的距離。雖然集中式電源在很多應(yīng)用上運(yùn)行良好，但對(duì)要求低電壓、多個(gè)負(fù)載點(diǎn)的應(yīng)用中不是很適合。集中式電源架構(gòu)雖然能有效地運(yùn)用電路板，但現(xiàn)在的負(fù)載趨向低電壓、高電流，不能有效地把功率分布出去。

2.分布式電源架構(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)。磚式模塊電源具備DC/DC變換器的三項(xiàng)基本功能：隔離、變壓和穩(wěn)壓，設(shè)計(jì)時(shí)可以把模塊電源布置在系統(tǒng)電路板上，靠近負(fù)載供電。分布式電源架構(gòu)由DC母線（一般為48V或300V）供電，再由放置在系統(tǒng)電路板旁的DC/DC變換器將母線電壓變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)在低電壓工作時(shí)所產(chǎn)生的問(wèn)題。
分布式電源架構(gòu)直接為負(fù)載供電，同時(shí)帶來(lái)重量、體積及散熱等問(wèn)題。分布式電源架構(gòu)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，使系統(tǒng)電源的成本增大。

3.中轉(zhuǎn)母線架構(gòu) (IBA)
近年來(lái)，一種性?xún)r(jià)比較高的中間總線架構(gòu)的DPA設(shè)計(jì)逐漸被人們接受，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)換器的隔離、變壓及穩(wěn)壓功能分配到兩個(gè)器件。如圖所示。這是一種通過(guò)一級(jí)隔離式“磚式模塊”或總線變換器模塊（IBC）將初始高電壓變換為一個(gè)中間電壓，再由位于負(fù)載附近的非隔離負(fù)載節(jié)點(diǎn)變換器（niPOL）對(duì)中間電壓進(jìn)行變換與穩(wěn)壓得到所需電壓的電源架構(gòu)。中間總線架構(gòu)為了節(jié)省成本，把隔離和大比例的電壓變換移到母線變換器。母線變換器必須靠近負(fù)載點(diǎn)變換器，以低壓供電。

中間總線架構(gòu)彌補(bǔ)了分布式電源架構(gòu)的缺點(diǎn)，把DC/DC變換器的隔離、變壓及穩(wěn)壓功能分配到兩個(gè)器件。IBC（中間總線變換器）具有變壓、隔離功能。niPoL（非隔離負(fù)載點(diǎn)變換器）則提供穩(wěn)壓功能。IBC把半穩(wěn)壓的分布總線轉(zhuǎn)為不穩(wěn)壓及隔離的中間總線電壓（一般為12V），供電給一連串的niPoL。niPoL靠近負(fù)載，提供變壓和穩(wěn)壓功能。IBA的理念是把母線電壓降至一個(gè)稍高于負(fù)載點(diǎn)的電壓，再由niPoL來(lái)完成余下的工作。IBA被認(rèn)為是對(duì)傳統(tǒng)分布式電源架構(gòu)（DPA）的進(jìn)一步發(fā)展，有利于進(jìn)一步提供高性能的電源解決方案，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

盡管IBA對(duì)于低電壓應(yīng)用仍然是有效及成本低的解決方案，但由于IBA有其固有的局限，在結(jié)構(gòu)上互相沖突，因此需要妥協(xié)折沖傳輸損耗與變換損耗，并犧牲瞬變反應(yīng)。
中間總線架構(gòu)的問(wèn)題是令I(lǐng)BC和niPoL均能有效工作的條件是互相沖突的。圖比較了多個(gè)把48V分布總線變換為1V的方法，各分布總線的寬度代表所帶的電流。
圖中的第一個(gè)實(shí)例顯示由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。
圖中的第二個(gè)實(shí)例以IBC變換48V總線至12V中轉(zhuǎn)電壓，niPoL的占空比為8%，改進(jìn)不大。而IBC所帶的電流比第一個(gè)實(shí)例子高4倍，避免分布損耗，總線的橫截面積需增大16倍或縮短IBC與niPoL的距離。

圖　48V分布總線轉(zhuǎn)換為1V的方法

圖中的余下兩個(gè)實(shí)例顯示利用IBC變換48～3V或2V、電壓越低，占空比越高，但中間總線電流亦越大，分布損耗更多。由于總線電流高，因此在這兩個(gè)實(shí)例中，IBC與niPoL要靠得很近。在2V的實(shí)例中，niPOL的占空比是50%，此時(shí)IBC與niPOL彼此靠近，如同一個(gè)整體DC/DC變換器，重復(fù)分布式電源架構(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)，即niPOL能否快速按負(fù)載的變化加大或減少電流，因電感器內(nèi)的電流變化率由加在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)，電感器的電流變化率受輸出電壓限制，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，即電感的慣性電流越難停止，電感器的電流復(fù)原時(shí)間亦更長(zhǎng)，需要在niPOL輸出端設(shè)置大電容。
從原理上講，DC/DC變換都需要經(jīng)過(guò)變壓、隔離、穩(wěn)壓三個(gè)環(huán)節(jié)。IBA的思路是由IBC來(lái)完成隔離與變壓的工作，提供一個(gè)半穩(wěn)定的DC中間總線，而穩(wěn)壓及后續(xù)的變壓工作由niPOL來(lái)完成。這種方案中的niPOL可能會(huì)使負(fù)載面臨高壓沖擊的危險(xiǎn)，也可能造成接地環(huán)路及躁聲耦合的問(wèn)題，同時(shí)在中間電壓的選擇上也需要很多技巧。

4. 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)。如圖5-3（a）所示。FPA架構(gòu)在大思路上與IBA相似，都要經(jīng)由一級(jí)中間電壓將初始電壓處理為所需電壓，但在處理手段上卻有很多創(chuàng)新，進(jìn)而解決了許多IBA難以克服的困難。FPA經(jīng)由PRM提供一個(gè)受控的穩(wěn)態(tài)中間電壓;IBA中的IBC是輸出一個(gè)半穩(wěn)定的中間電壓。
非隔離PRM可接受寬廣的輸入電壓并把它變換為一個(gè)穩(wěn)壓的分比母線電壓，PRM的工作效率很高，一般在97%～99%范圍內(nèi)（典型值）。輸入電壓越接近分比電壓，效率便越高。以一個(gè)48V系統(tǒng)為例，36～75V輸入范圍，輸出在48V左右，效率可達(dá)到99%。
VTM提供變壓和隔離功能（由VTM的變換比率來(lái)升高或降低電壓）。分比功率架構(gòu)利用VTM作為負(fù)載點(diǎn)變換器，可提高變換效率，減少分布功耗。
高頻率分比架構(gòu)芯片使用軟開(kāi)關(guān)零電流/零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)，具有芯片體積小、重量輕、功率密度非常高的特點(diǎn)，距離基板小于6mm，可靈活配置在系統(tǒng)電源內(nèi)。單一PRM在48V輸出時(shí)，最高功率可達(dá)200W，VTM在高壓應(yīng)用時(shí)最高功率可達(dá)到200W，由一個(gè)PRM及一個(gè)VTM組成的分比功率架構(gòu)，功率密度可達(dá)400W/in3。

相比開(kāi)關(guān)頻率在MHz范圍內(nèi)硬開(kāi)關(guān)模塊，這些芯片把傳導(dǎo)和輻射噪聲降至非常低的水平，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可容易地把隔離的VTM設(shè)置在負(fù)載點(diǎn)，不需擔(dān)心開(kāi)關(guān)噪聲和接地回路。
VTM無(wú)需增加濾波電容器，輸出紋波便小于1%。VTM采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，工作頻率達(dá)3.5MHz，可減低分布電感，加上優(yōu)良的連接，只需外加小的旁路電容，輸出紋波即可以降至負(fù)載電壓的0.1%。
分比電源架構(gòu)（FPA）使電源變換技術(shù)進(jìn)入新時(shí)代，把三項(xiàng)基本變換功能——穩(wěn)壓、變壓和隔離分別置于兩個(gè)電源模塊。預(yù)穩(wěn)壓模塊（PRM）提供穩(wěn)壓，被設(shè)置在電壓轉(zhuǎn)變模塊（VTM）上端;電壓轉(zhuǎn)變模塊（VTM）具有變壓和隔離功能。
分比電源架構(gòu)可靈活部署，在需要時(shí)可以把PRM和VTM結(jié)合使用，同樣可以把PRM從電路板上移走，只把VTM設(shè)在負(fù)載點(diǎn)。事實(shí)上，因?yàn)閂TM可以變換相對(duì)較高的電壓，電壓可以最低功耗I2×R來(lái)分布，而PRM可遠(yuǎn)離負(fù)載或甚至放在另一塊電路板上，所以可輕易按應(yīng)用選擇合適的設(shè)置。
為配合全新FPA的提出，懷格公司推出采用特殊工藝制造的、被稱(chēng)為VI的系列PRM、VTM模塊，它們都具備工作效率高、散熱設(shè)計(jì)靈活、體積小等特點(diǎn);與安裝高度為12.7mm的傳統(tǒng)1/4磚模塊相比，VI的高度僅為4mm，占用電路板的面積僅為6.5cm2（1/4磚模塊為21.3cm2）;同時(shí)，VI能夠承載的功率密度達(dá)到500W/in3。
PRM是一個(gè)非常高效率的非隔離式穩(wěn)壓器，可以接受寬范圍的輸入電壓，并能夠通過(guò)升壓或降壓技術(shù)提供穩(wěn)定但可調(diào)的輸出電壓或“分比式總線”電壓。PRM可以單獨(dú)用作非隔離式穩(wěn)壓器，也可以與VTM一起實(shí)現(xiàn)完整的、具有較高效率和高功率密度的隔離式DC/DC解決方案。VTM可以提供負(fù)載點(diǎn)、固定比例的電壓變換功能，具有特別快速的瞬態(tài)響應(yīng)和2250VDC的隔離度。
分比式電源架構(gòu)把DC/DC變換器的功能重新編排，并以芯片封裝組件實(shí)現(xiàn)。分比式電源架構(gòu)模塊產(chǎn)品包括預(yù)穩(wěn)壓模塊（PRM）、電壓轉(zhuǎn)變模塊（VTM）及中間總線變換模塊（BCM）。PRM只有穩(wěn)壓功能，VTM具有變壓和隔離功能，PRM和VTM組合起來(lái)就能實(shí)現(xiàn)DC/DC變換器功能。PRM可接受寬廣的輸入電壓并變換為一個(gè)穩(wěn)壓的分比總線電壓傳送到VTM。VTM作為負(fù)載點(diǎn)變換器，把分比總線電壓升高或降低，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。
分比電源架構(gòu)系統(tǒng)由PRM和VTM組成，功率密度達(dá)350W/in3。由于VTM可變換較高電壓的分比總線而減少了I2×R損耗，因此PRM也可安裝在離負(fù)載較遠(yuǎn)甚至安裝在別的電路板上，并且在負(fù)載點(diǎn)上（POL）只需安裝VTM便可使負(fù)載點(diǎn)的功率密度超過(guò)875W/in3。分比式電源架構(gòu)將系統(tǒng)電源的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮得淋漓盡致，把系統(tǒng)的靈活性、功率密度、變換效率、瞬變反應(yīng)、噪聲表現(xiàn)及可靠性等性能提升到最高的層面。
分比式電源架構(gòu)由VI芯片實(shí)現(xiàn)，VI芯片引腳有J引腳款式，適合板上表貼安裝，可傳送100A電流到負(fù)載點(diǎn)，是非常靈活、高效的組件，可以用在集中式、分布式和中間總線架構(gòu)，可縮小系統(tǒng)空間，改善瞬變、散熱噪聲等問(wèn)題。FPA和VI芯片將是未來(lái)電源架構(gòu)及組件的典范。
與分布式電源架構(gòu)或中間總線架構(gòu)不一樣，在分比電源架構(gòu)中，穩(wěn)壓功能由PRM提供，可遠(yuǎn)離負(fù)載。VTM作為負(fù)載點(diǎn)的變換器，不需要提供穩(wěn)壓功能，可以無(wú)須靠近負(fù)載，只負(fù)責(zé)按K比值“倍大電流”或“降低電壓”（UOUT=Uf），由于VTM負(fù)責(zé)在負(fù)載點(diǎn)變壓，因此K比值最高可達(dá)到200，分比總線電壓無(wú)須受負(fù)載電壓限制，可設(shè)定在任何一點(diǎn)上，甚至可把分比總線電壓設(shè)定為與電源電壓相同，如圖5-3（b）所示。負(fù)載電壓為1V，分比總線電壓可設(shè)定為48V，完全不受負(fù)載電壓或PRM與VTM的距離影響，不需在輸送損耗與變換損耗中折中取舍。重點(diǎn)是FPA把變壓部分放在負(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把電感器放在中間總線與負(fù)載之間可產(chǎn)生電流慣性，在FPA分比總線與負(fù)載之間沒(méi)有電感器，如圖5-4所示。由于VTM不受電感慣性左右，因此可快速反應(yīng)負(fù)載變化。在分比總線上的電容由于沒(méi)有電感器的阻隔，則可對(duì)負(fù)載有效旁路。該電容相等于在負(fù)載加上1/K2倍的電容值，無(wú)須在負(fù)載點(diǎn)再加上大電容。圖5-5很清楚地表示在FPA只需采用4μF的電容便可以取代IBA中的10000μF電容。
FPA的控制架構(gòu)
FPA將穩(wěn)壓功能交由一個(gè)預(yù)穩(wěn)壓模塊（PRM）完成，可得到一個(gè)受控的分比式總線電壓;變壓與隔離工作則由電壓變換模塊（VTM）來(lái)完成，最終可得到負(fù)載點(diǎn)所需的電壓。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓、高效率、低噪聲及快速瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)也規(guī)避了IBA在中間電壓選擇上的困難。
FPA的出現(xiàn)將極大地改變目前系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)的理念，并將在DPA市場(chǎng)贏得越來(lái)越多的市場(chǎng)份額。由于問(wèn)世時(shí)間不常，因此目前FPA還沒(méi)有得到廣泛的認(rèn)同，同時(shí)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)也未形成，所有這些都是在FPA未來(lái)市場(chǎng)推廣中需要解決的問(wèn)題。

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。

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