电源架构分比式功率

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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。

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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。 [p]

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。