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什么是Factorized Power Architecture——突破传统的分布式电源结构

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  电子设备或系统的发展对所需的电源要求持续增加,系统需要的电源规格不一,但大致发展趋势是输出不断增多及分散,负载瞬变更快速,负载电压较低而电流却极大,以及电路板趋向密集。设计师不得不去寻找一些细小封装、高效率、高电流密度的DC-DC转换器,还需顾虑不断压缩的成本。目前市场上的功率产品及相应的功率结构已被应用尽至,达到它们所能发挥的功能极限,很难再进一步改良。本文要介绍的是一项创新的电源功率构筑——分比功率架构(Factorized Power 或 Factorized Power Architecture),简称FPA及实现这项架构的崭新功率组件——V·I芯片(VICs)。
  首先回顾开关电源面世后的应用发展情况,起初的电源是集中式的(Centralized Power),即系统全由一个独立电源供电,它的优点是成本效益佳,散热及电磁兼容可容易集中处理,及它不占系统上其它电路板空间;但是很难传输或分布低电压高电流,动态响应劣,要更变设计则须重新做一台电源,即不适合作"规模可变"(Scalable)设计。后来高密度"砖块式"的DC-DC转换器部件或模块面世后,促成分布式功率架构(Distributed Power Architecture)的发展,这在通讯领域的应用尤为显著。通讯设备常由一片一片电路板插咭组成,不难想象,需要分布式功率。这种电源架构能简单地作并联、冗余设计,完全可以更变规模,并且瞬变响应优越;但是成本提高了,功率的分布应用一连串的模块,隔离、稳压在电路上重复又重复,EMI滤波及输入保护也在电路多个节点重复,电路板被占用了不少的"电源空间",这迫使分布式功率演化出一项分支称为中转总线架构 (Intermediate Bus Architecture),它的特征是由一个隔离式"砖块"部件或总线转换模块(IBC)供电给一连串的非隔离负载节点转换器(niPOL),niPOL靠近负载发挥电压转变及稳压,很多更具备同步整流因而效率高,价格也相宜,成本相对下降,这种架构才出现了不久。
  但它存在几项严重缺点不易克服;如总线转换器需靠近niPOL,仍占去不少电路板面积。niPOL不备隔离作用而使负载面对潜在高压危险,不隔离在电路上布线也较困难,需注重回路环路、噪声耦合等难题。中转总线电压(Intermediate Bus Voltage)通常为12V,该电压要顾及两项取舍;对高效功率分布,12V电压是过低,传输或分布功率时电流大、损耗多、极为不利。另一方面,对开关转变电压来说,12V则为太高了。12V转到1.2V的开关动作占空比在10%左右,不利高效益的niPOL转换器设计。上述两方面相抵触,中转电压很可能在不同场合需要专门选定,例如12V, 5V, 3.3V。意味系统的将来发展难具简易统一性。此功率分布方式似不是长远的理想选择。
  一项创新的功率转换方式已由Vicor公司发展开来,称为分比功率架构 (Factorized Power Architecture),能大幅改进功率系统的性能、成本、可靠性。它由相关的崭新组件称为V·I芯片来实现。V·I芯片目前有两种,分别为预稳定压模块(PRM)及电压转变模块(VTM)。要了解它们是什么,先回顾功率转换的三个基本功能组成,即隔离、变压、稳压。一个完整的DC-DC转换器具备这三项功能,中转总线转换器(IBC)则通常只具隔离及变压功能,而niPOL转换器则存在变压及稳压功能,IBC及niPOL合起来当然就能实现全三项功能并且重复了变压功能,是一种最少两级的电压转变串成方式,如前文所述,中转总线电压不好选定。
  相反,PRM只有稳压功能,VTM则只具变压、隔离功能,PRM及VTM合起来就更能简易实现全功能DC-DC转换器,它们就组成了突破性的分比功率架构——Factorized Power Architecture或FPA。图1显示该功率分布方式的功能组成。
  该架构的首个模块为预稳定压模块(PRM)。它把输入直流稳压,输出稳压的分比总线(Vf),这个非隔离PRM器件效率高至99%。由于后面有隔离功能,Vf可被提高,从而电压的分布输送的I2R损耗较低,因此PRM可远离负载点,即使是放在另一片电路板也可以,经验设计师可体会到这是个极大设计优势。负载节点上转换器为电压转变模块(VTM),它把稳压而非隔离的PRM输出作降压或升压输出,并提供微电隔离,输出电压由其K比值决定,VOUT=Vf K。VTM效率可高达97%,具特显的动态响应及噪声特性,80%负载阶跃在100A/ms情形下,VTM能在200ns内反应,1ms内沉定,速度惊人,对于一些高速的微处理器供电,设计师大可改用PRM-VTM组合代替标准电压稳压模块,能去除大量高成本,易损坏的负载端电容。

  VTM内部为零电压/零电流开关(ZVS/ZCS)拓扑,固有地产生较低共模、差模噪声,一个48V至12V的VTM输出只带1mF陶瓷旁路电容下,高频纹波只有12mVpp(输出的0.1%),表现远胜传统DC-DC转换器相应处。VTM的输出阻抗极低,低电压单元只有约1mΩ,故即使在开环模式下,VTM的负载调整率也只是 /-4%的数量级。PRM-VTM更可作死循环操作进一步强化稳压率。图1所示就是死循环的使用,PRM对应负载变化而控制输出Vf,Vf被上下微调以补尝VTM的输出阻抗效应(如上所述约为 /-4%),VTM的任务是变压及隔离,PRM-VTM结合实现紧密稳压、高效率、低噪声及快速瞬态响应等性能,这些都是难能可贵的表现。

  FPA的几项应用例子。参考图1、2、3示意,前文已述,图1为死循环应用情形;图2为开环的简单应用,负载调整率是 /-4%左右,已相当不错;图3为单个PRM驱动多个VTM的应用,只需将最需要紧密稳压的负载电压反馈到PRM作死循环,图中VTM对负载1输出精确电压。负载2及3仍能达 /-4%调整率。PRM-VTM还有很多其它的组合应用方式,极尽灵活,此处未能尽录。

  VTM更可以并联而且竟能不需均流控制!细看其资料显示它具双向传输功率能力,技术含量极为领先。PRM-VTM实行的分比功率架构(FPA)灵活性非凡,预示电源的应用将会有新景象。

  PRM及VTM都是球状网阵(BGA)封装器件,板内置放仅为4mm高,试比较标准1/4砖模块穿孔置放时为12.7mm高度。占用的电路板面积:PRM或VTM为6.5cm2,而1/4砖模块为21.3cm2。尺寸体积够小了(图4),功率又如何,一个双芯片组合(单个PRM及单个VTM)能达500 W/in3系统水平功率密度,而在负载节点,密度更大于1000W/in3,等价于近500A /in3 的电流密度。现知道VTM的最大功率和最大电流分别为200W及80A。

  总结:分比功率(FPA)是突破传统的功率分布方式,由BGA封装的V–I芯片实行,重新调配了功率转换的功能(变压、稳压及隔离),这种架构强化功率系统的性能、可靠性、灵活性,而成本却反而下降。

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图1 分比功率: 隔离功能移近负载节点,Vf总线提高,产生多项优点: 强化性能、增加可靠性、减少组件、增强灵活性。

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图3:FPA应用的灵活性,PRM驱动多个VTM,死循环操作提供紧密稳压到负载1;负载2及3调整率仍能是 /-4%数量级。
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