系統電源架構的發展

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系統電源架構的發展

近年電子及數據產業的發展及分布式供電系統的推廣， DC-DC轉換器的應用越來越廣，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。系統電源的設計一直受到電子整機系統多功能、小型化雙重需求的挑戰，使系統電源架構設計經歷了從早期的集中式電源架構（CPA）向分布式電源架構（DPA）的轉變。同時，伴隨DPA發展起來的標準封裝化“磚式模塊”，也為系統電源設計帶來了更大的便利性和靈活性。

1.集中式電源架構(CPA)
集中式電源是最基本的電源結構。簡單、成本輕。它把從前端到DC-DC轉換的功能集中在一個框架，減少占用負載點的電路板空間，避免串接作多次功率轉換，效率較佳，也相對能容易處理散熱及EMI問題。它把前端到DC/DC變換的功能集中在一個框架中，可減少占用負載點的電路板空間，避免多次功率變換，效率較佳，處理散熱及EMI問題相對容易。在其設計中需要在I2×R功耗與EMI兩方面進行平衡考慮，進而決定電源與負載的距離。雖然集中式電源在很多應用上運行良好，但對要求低電壓、多個負載點的應用中不是很適合。集中式電源架構雖然能有效地運用電路板，但現在的負載趨向低電壓、高電流，不能有效地把功率分布出去。

2.分布式電源架構(DPA)
自80年代，電源模塊面世后，分布式架構被廣泛采用，成為最常用的架構。磚式模塊電源具備DC/DC變換器的三項基本功能：隔離、變壓和穩壓，設計時可以把模塊電源布置在系統電路板上，靠近負載供電。分布式電源架構由DC母線（一般為48V或300V）供電，再由放置在系統電路板旁的DC/DC變換器將母線電壓變換成合適的電壓為負載供電。這種布局可以改善系統的動態反應，避免整個系統在低電壓工作時所產生的問題。
分布式電源架構直接為負載供電，同時帶來重量、體積及散熱等問題。分布式電源架構的成本一般較高，尤其是在負載數目多的情形下，需要占用較大的電路板空間，而且在每一個負載點都重復包括隔離、變壓、穩壓、EMI濾波和輸入保護等功能，使系統電源的成本增大。

3.中轉母線架構 (IBA)
近年來，一種性價比較高的中間總線架構的DPA設計逐漸被人們接受，中轉母線架構 (圖1) 彌補了分布式電源架構的缺點。它把DC-DC轉換器的隔離、變壓及穩壓功能分配到兩個器件。如圖所示。這是一種通過一級隔離式“磚式模塊”或總線變換器模塊（IBC）將初始高電壓變換為一個中間電壓，再由位于負載附近的非隔離負載節點變換器（niPOL）對中間電壓進行變換與穩壓得到所需電壓的電源架構。中間總線架構為了節省成本，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載點變換器，以低壓供電。

中間總線架構彌補了分布式電源架構的缺點，把DC/DC變換器的隔離、變壓及穩壓功能分配到兩個器件。IBC（中間總線變換器）具有變壓、隔離功能。niPoL（非隔離負載點變換器）則提供穩壓功能。IBC把半穩壓的分布總線轉為不穩壓及隔離的中間總線電壓（一般為12V），供電給一連串的niPoL。niPoL靠近負載，提供變壓和穩壓功能。IBA的理念是把母線電壓降至一個稍高于負載點的電壓，再由niPoL來完成余下的工作。IBA被認為是對傳統分布式電源架構（DPA）的進一步發展，有利于進一步提供高性能的電源解決方案，提高系統設計的靈活性。

盡管IBA對于低電壓應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，在結構上互相沖突，因此需要妥協折沖傳輸損耗與變換損耗，并犧牲瞬變反應。
中間總線架構的問題是令IBC和niPoL均能有效工作的條件是互相沖突的。圖比較了多個把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。
圖中的第一個實例顯示由48V直接用niPoL轉為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，會引發高峰值電流、輸入/輸出紋波太大、瞬態反應慢、噪聲高及功率密度低等問題。
圖中的第二個實例以IBC變換48V總線至12V中轉電壓，niPoL的占空比為8%，改進不大。而IBC所帶的電流比第一個實例子高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分布總線轉換為1V的方法

圖中的余下兩個實例顯示利用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，因此在這兩個實例中，IBC與niPoL要靠得很近。在2V的實例中，niPOL的占空比是50%，此時IBC與niPOL彼此靠近，如同一個整體DC/DC變換器，重復分布式電源架構的困局，不能發揮IBA的優點。
IBA的另一個問題是niPOL的瞬變反應，即niPOL能否快速按負載的變化加大或減少電流，因電感器內的電流變化率由加在電感器上的電壓決定。在低電壓應用時，當負載處于大電流狀態，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，需要更長的時間減低電流，即電感的慣性電流越難停止，電感器的電流復原時間亦更長，需要在niPOL輸出端設置大電容。
從原理上講，DC/DC變換都需要經過變壓、隔離、穩壓三個環節。IBA的思路是由IBC來完成隔離與變壓的工作，提供一個半穩定的DC中間總線，而穩壓及后續的變壓工作由niPOL來完成。這種方案中的niPOL可能會使負載面臨高壓沖擊的危險，也可能造成接地環路及躁聲耦合的問題，同時在中間電壓的選擇上也需要很多技巧。

4. 分比式功率架構(FPATM)
分比式功率架構把DC-DC轉換器的功能重新編排; 并以晶片封裝的元件來實現。如圖5-3（a）所示。FPA架構在大思路上與IBA相似，都要經由一級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新，進而解決了許多IBA難以克服的困難。FPA經由PRM提供一個受控的穩態中間電壓;IBA中的IBC是輸出一個半穩定的中間電壓。
非隔離PRM可接受寬廣的輸入電壓并把它變換為一個穩壓的分比母線電壓，PRM的工作效率很高，一般在97%～99%范圍內（典型值）。輸入電壓越接近分比電壓，效率便越高。以一個48V系統為例，36～75V輸入范圍，輸出在48V左右，效率可達到99%。
VTM提供變壓和隔離功能（由VTM的變換比率來升高或降低電壓）。分比功率架構利用VTM作為負載點變換器，可提高變換效率，減少分布功耗。
高頻率分比架構芯片使用軟開關零電流/零電壓開關技術，具有芯片體積小、重量輕、功率密度非常高的特點，距離基板小于6mm，可靈活配置在系統電源內。單一PRM在48V輸出時，最高功率可達200W，VTM在高壓應用時最高功率可達到200W，由一個PRM及一個VTM組成的分比功率架構，功率密度可達400W/in3。

相比開關頻率在MHz范圍內硬開關模塊，這些芯片把傳導和輻射噪聲降至非常低的水平，在系統設計中可容易地把隔離的VTM設置在負載點，不需擔心開關噪聲和接地回路。
VTM無需增加濾波電容器，輸出紋波便小于1%。VTM采用軟開關技術，工作頻率達3.5MHz，可減低分布電感，加上優良的連接，只需外加小的旁路電容，輸出紋波即可以降至負載電壓的0.1%。
分比電源架構（FPA）使電源變換技術進入新時代，把三項基本變換功能——穩壓、變壓和隔離分別置于兩個電源模塊。預穩壓模塊（PRM）提供穩壓，被設置在電壓轉變模塊（VTM）上端;電壓轉變模塊（VTM）具有變壓和隔離功能。
分比電源架構可靈活部署，在需要時可以把PRM和VTM結合使用，同樣可以把PRM從電路板上移走，只把VTM設在負載點。事實上，因為VTM可以變換相對較高的電壓，電壓可以最低功耗I2×R來分布，而PRM可遠離負載或甚至放在另一塊電路板上，所以可輕易按應用選擇合適的設置。
為配合全新FPA的提出，懷格公司推出采用特殊工藝制造的、被稱為VI的系列PRM、VTM模塊，它們都具備工作效率高、散熱設計靈活、體積小等特點;與安裝高度為12.7mm的傳統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，VI能夠承載的功率密度達到500W/in3。
PRM是一個非常高效率的非隔離式穩壓器，可以接受寬范圍的輸入電壓，并能夠通過升壓或降壓技術提供穩定但可調的輸出電壓或“分比式總線”電壓。PRM可以單獨用作非隔離式穩壓器，也可以與VTM一起實現完整的、具有較高效率和高功率密度的隔離式DC/DC解決方案。VTM可以提供負載點、固定比例的電壓變換功能，具有特別快速的瞬態響應和2250VDC的隔離度。
分比式電源架構把DC/DC變換器的功能重新編排，并以芯片封裝組件實現。分比式電源架構模塊產品包括預穩壓模塊（PRM）、電壓轉變模塊（VTM）及中間總線變換模塊（BCM）。PRM只有穩壓功能，VTM具有變壓和隔離功能，PRM和VTM組合起來就能實現DC/DC變換器功能。PRM可接受寬廣的輸入電壓并變換為一個穩壓的分比總線電壓傳送到VTM。VTM作為負載點變換器，把分比總線電壓升高或降低，提供隔離電壓給負載。負載變化由反饋電路傳到PRM，由PRM調控分比電壓實現穩壓。
分比電源架構系統由PRM和VTM組成，功率密度達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也可安裝在離負載較遠甚至安裝在別的電路板上，并且在負載點上（POL）只需安裝VTM便可使負載點的功率密度超過875W/in3。分比式電源架構將系統電源的優勢發揮得淋漓盡致，把系統的靈活性、功率密度、變換效率、瞬變反應、噪聲表現及可靠性等性能提升到最高的層面。
分比式電源架構由VI芯片實現，VI芯片引腳有J引腳款式，適合板上表貼安裝，可傳送100A電流到負載點，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，可縮小系統空間，改善瞬變、散熱噪聲等問題。FPA和VI芯片將是未來電源架構及組件的典范。
與分布式電源架構或中間總線架構不一樣，在分比電源架構中，穩壓功能由PRM提供，可遠離負載。VTM作為負載點的變換器，不需要提供穩壓功能，可以無須靠近負載，只負責按K比值“倍大電流”或“降低電壓”（UOUT=Uf），由于VTM負責在負載點變壓，因此K比值最高可達到200，分比總線電壓無須受負載電壓限制，可設定在任何一點上，甚至可把分比總線電壓設定為與電源電壓相同，如圖5-3（b）所示。負載電壓為1V，分比總線電壓可設定為48V，完全不受負載電壓或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。重點是FPA把變壓部分放在負載點，克服了IBA面對的難題，占空比可達100%。FPA的瞬變反應較IBA理想。
如前述，IBA把電感器放在中間總線與負載之間可產生電流慣性，在FPA分比總線與負載之間沒有電感器，如圖5-4所示。由于VTM不受電感慣性左右，因此可快速反應負載變化。在分比總線上的電容由于沒有電感器的阻隔，則可對負載有效旁路。該電容相等于在負載加上1/K2倍的電容值，無須在負載點再加上大電容。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
FPA將穩壓功能交由一個預穩壓模塊（PRM）完成，可得到一個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）來完成，最終可得到負載點所需的電壓。這種設計實現了穩壓、高效率、低噪聲及快速瞬態響應，同時也規避了IBA在中間電壓選擇上的困難。
FPA的出現將極大地改變目前系統電源設計的理念，并將在DPA市場贏得越來越多的市場份額。由于問世時間不常，因此目前FPA還沒有得到廣泛的認同，同時相應的標準也未形成，所有這些都是在FPA未來市場推廣中需要解決的問題。

分比式功率架構，未來的電源架構

盡管IBA對于低電壓應用，它仍然是有效及成本低的方案，但由于IBA有其固有的局限，在結構上互相沖突，它需要妥協折沖傳輸損耗與轉換損耗，及犧牲瞬變反應。

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、分布式和中轉母線架構，工程師可即時提升系統的表現，大大縮小系統空間，改善瞬變、散熱噪聲等的問題。FPA及VI晶片，將是未來電源架構及元件的典范。

電源適配器