分比式功率配合未来电源发展的架构

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。







FPA的控制架构

PRM内的控制系统和辅助ASICs令PRM可以用不同的方法来控制VTM的输出电压。

本地闭环(图8)是最简单的方法。PRM感应它自己的输出电压，再调整及维持分比母线电压在一个常数。负载电压按VTM的输出阻抗的比例升降 (Vf K-IoutRout)。 一个PRM可同时连接多个VTM。



自适应闭环(图9)。由VTM把讯号传送给PRM，让PRM调整分比母线。以补偿VTM的输出阻抗。自适应闭环只需要在VTM与PRM之间接上简单、非隔离的反馈电路，它的稳压精度便可达+/-1%。



遥感闭环(图10)把负载电压反馈到PRM。这方法的稳压精度最高可达+/-0.2%，但可能需要隔离反馈环路。PRM可连接多只VTM，其中一个VTM提供反馈讯号。



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。