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。 面對新世代的電子器件和負(fù)載,電源業(yè)要面對重大的挑戰(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、動態(tài)反應(yīng)快, 噪聲小和價錢相宜。 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),簡單、成本輕。它把從前端到DC-DC轉(zhuǎn)換的功能集中在一個框架, 減少占用負(fù)載點的電路板空間, 避免串接作多次功率轉(zhuǎn)換,效率較佳,也相對能容易處理散熱及EMI問題。 設(shè)計師也需要在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)用上運作良好,但對要求低電壓、多個負(fù)載點的應(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(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)的動態(tài)反應(yīng),避免整個系統(tǒng)在低電壓操作所產(chǎn)生的問題。

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。而且在每一個負(fù)載點都重復(fù)包括隔離、變壓、穩(wěn)壓、EMI濾波和輸入保護等功能,模塊的成本自然增大。

中轉(zhuǎn)母線架構(gòu) (IBA)

中轉(zhuǎn)母線架構(gòu) (圖1) 彌補了分布式電源架構(gòu)的缺點。它把DC-DC轉(zhuǎn)換器的隔離、變壓及穩(wěn)壓功能分配到兩個器件。 IBC (中轉(zhuǎn)母線轉(zhuǎn)換器) 具變壓及隔離功能。niPoL (非隔離負(fù)載點轉(zhuǎn)換器) 則提供穩(wěn)壓功能。 IBC把半穩(wěn)壓的分布母線轉(zhuǎn)為不穩(wěn)壓及隔離的中轉(zhuǎn)母線電壓(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 的理念是把母線電壓降至一個稍稍高于負(fù)載點的電壓, 再由較便宜的降壓器(niPoL)來完成余下的工作。降壓器(niPoL)經(jīng)由電感器傳輸電壓到負(fù)載,這電壓相等于上開關(guān)和下開關(guān)共同端電壓的平均值,等如上開關(guān)電壓占空比與中轉(zhuǎn)母線的乘積。

中轉(zhuǎn)母線架構(gòu)的問題是令I(lǐng)BC和niPoL均能有效操作的條件是互相沖突的。 圖2比較了多個把48V分布母線轉(zhuǎn)為1V用的方法, 各分布母線的寬度代表了所帶的電流。

第一個例子顯示由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題。

第二個例子,以IBC轉(zhuǎn)換48V母線至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例子高四倍。避免分布損耗,母線的截面面積需增大16倍,或縮短IBC與niPoL的距離。

余下兩個例子顯示利用IBC轉(zhuǎn)換48V至3V或2V。電壓越低,占空比越高。但中轉(zhuǎn)母線電流亦越大,分布損耗更多。由于母線電流高,在這兩個例子中,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IBC要跟著niPOL的尾巴走, 彼此靠近得如同整體是一個DC-DC轉(zhuǎn)換器,說明將DC-DC轉(zhuǎn)換器分開兩個器件的甩的在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。

IBA的另一個問題是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,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, 需要更長的時間減低電流,即越難停止電感的慣性電流,復(fù)原的時間亦更長,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。

總的來說, 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。 但對另一些應(yīng)用,以上提到的缺點便浮現(xiàn)出來了。

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實現(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,就能實現(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)換為一個穩(wěn)壓的分比母線(Vf)傳送到VTM。 VTM作為負(fù)載點轉(zhuǎn)換器,把分比母線升壓或 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,實現(xiàn)穩(wěn)壓。[!--empirenews.page--]

跟分布式架構(gòu)或中轉(zhuǎn)母線架構(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)載點的轉(zhuǎn)換器, 它不需要提供穩(wěn)壓的功能, 可以無須靠近負(fù)載。 它只負(fù)責(zé)按K比值 “倍大電流” 或 “降低電壓” (VOUT = Vf ? K),VTM可在整個轉(zhuǎn)換周期傳送電流,它的占空比是百份之一百。FPA以分比母線傳輸功率,可以較隨意的選擇電壓,無須如前所述的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法管理。

由于VTM負(fù)責(zé)在負(fù)載點變壓,它的K比值最高可達(dá)到200,分比母線因此無須受負(fù)載電壓限制,可設(shè)定在任何一點上,甚至可把分比母線設(shè)定跟電源電壓相同。如圖5, 負(fù)載電壓是1V,分比母線可設(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。重點是FPA把變壓的部份放在負(fù)載點,克服了IBA面對的難題,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)母線與負(fù)載之間,產(chǎn)生電流慣性。在FPA分比母線與負(fù)載之間沒有電感器(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。在分比母線的電容由于沒有電感的阻隔,可對負(fù)載有效旁路,該電容相等于在負(fù)載加上1/K2倍電容值,這便無須在負(fù)載點加上大電容。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控制VTM的輸出電壓。

本地閉環(huán)(圖8)是最簡單的方法。PRM感應(yīng)它自己的輸出電壓,再調(diào)整及維持分比母線電壓在一個常數(shù)。負(fù)載電壓按VTM的輸出阻抗的比例升降 (Vf K-IoutRout)。 一個PRM可同時連接多個VTM。[!--empirenews.page--]

自適應(yīng)閉環(huán)(圖9)。由VTM把訊號傳送給PRM,讓PRM調(diào)整分比母線。以補償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VTM提供反饋訊號。

分比式功率架構(gòu),未來的電源架構(gòu)

盡管IBA對于低電壓應(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、散熱噪聲等的問題。FPA及VI晶片,將是未來電源架構(gòu)及元件的典范。