分比式功率——配合未來(lái)電源發(fā)展的架構(gòu)
Vicor公司應(yīng)用工程師 劉廣緣
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(lái)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(duì)新世代的電子器件和負(fù)載,，電源業(yè)要面對(duì)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(dòng)態(tài)反應(yīng)快， 噪聲小和價(jià)錢(qián)相宜,。 這些需求促使業(yè)界重新審視現(xiàn)有和架構(gòu),。
電源架構(gòu)的發(fā)展 （CPA）
集中式電源，這是zui基本的電源結(jié)構(gòu),，簡(jiǎn)單,、成本輕。它把從前端到DC-DC轉(zhuǎn)換的功能集中在個(gè)框架,， 減少占用負(fù)載點(diǎn)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(duì)能處理散熱及EMI問(wèn)題,。 設(shè)計(jì)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(yùn)作良好,，但對(duì)要求低電壓、多個(gè)負(fù)載點(diǎn)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)被采用,，成為zui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(xiàng)基本功能: ,、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(xiàn)（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(dòng)態(tài)反應(yīng),，避免整個(gè)系統(tǒng)在低電壓操作所產(chǎn)生的問(wèn)題,。
分布式電源的成本般較，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,。而且在每個(gè)負(fù)載點(diǎn)都重復(fù)包括,、變壓、穩(wěn)壓,、EMI濾波和輸入保護(hù)等功能,，模塊的成本自然增大。
中轉(zhuǎn)母線(xiàn)架構(gòu) （IBA）
中轉(zhuǎn)母線(xiàn)架構(gòu) （圖1） 彌補(bǔ)了分布式電源架構(gòu)的缺點(diǎn),。它把DC-DC轉(zhuǎn)換器的,、變壓及穩(wěn)壓功能分配到兩個(gè)器件。 IBC （中轉(zhuǎn)母線(xiàn)轉(zhuǎn)換器） 具變壓及功能,。niPoL （非負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器） 則提供穩(wěn)壓功能,。 IBC把半穩(wěn)壓的分布母線(xiàn)轉(zhuǎn)為不穩(wěn)壓及的中轉(zhuǎn)母線(xiàn)電壓（般是12V）， 供電給連串的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(xiàn)電壓降至個(gè)稍稍于負(fù)載點(diǎn)的電壓,，再由較便宜的降壓器（niPoL）來(lái)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(kāi)關(guān)和下開(kāi)關(guān)共同端電壓的平均值,，等如上開(kāi)關(guān)電壓占空比與中轉(zhuǎn)母線(xiàn)的乘積,。
中轉(zhuǎn)母線(xiàn)架構(gòu)的問(wèn)題是令I(lǐng)BC和niPoL均能操作的條件是互相沖突的。 圖2比較了多個(gè)把48V分布母線(xiàn)轉(zhuǎn)為1V用的方法,，各分布母線(xiàn)的寬度了所帶的電流,。
*個(gè)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(huì)引發(fā)峰值電流,，輸入輸出紋波太大,，瞬態(tài)反應(yīng)慢，噪聲及功率密度低等問(wèn)題,。
第二個(gè)例子,，以IBC轉(zhuǎn)換48V母線(xiàn)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*個(gè)例子四倍。避免分布損耗,，母線(xiàn)的截面面積需增大16倍,，或縮短IBC與niPoL的距離,。
余下兩個(gè)例子顯示利用IBC轉(zhuǎn)換48V至3V或2V,。電壓越低,，占空比越。但中轉(zhuǎn)母線(xiàn)電流亦越大,，分布損耗多,。由于母線(xiàn)電流，在這兩個(gè)例子中,，IBC與niPoL 要靠得很近,。在2V的例子，niPOL的占空比是5, 很好, 但此時(shí)IBC要跟著niPOL的尾巴走, 彼此靠近得如同整體是個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器,說(shuō)明將DC-DC轉(zhuǎn)換器分開(kāi)兩個(gè)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(diǎn)。
IBA的另個(gè)問(wèn)題是niPOL的瞬變反應(yīng),。niPOL能否地按負(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(cuò)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(shí),，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,， 需要長(zhǎng)的時(shí)間減低電流，即越難停止電感的慣電流,，復(fù)原的時(shí)間亦長(zhǎng),，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(duì)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,，因此需要在輸出加上大電容以保持穩(wěn)定。
總的來(lái)說(shuō),， 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(duì)另些應(yīng)用,，以上提到的缺點(diǎn)便浮現(xiàn)出來(lái)了。
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