- 集中式、分布式、中專母線等電源架構(gòu)的特點
- 電源分比式功率架構(gòu)發(fā)展趨勢和特點
- 在分比式架構(gòu)穩(wěn)壓功能由PRM提供可遠離負載
- 分比母線無須受負載電壓限制
- 可以用不同的方法來控制VTM的輸出電壓
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。
[page]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，當負載處于大電流狀態(tài)，它的電流變化率受輸出電壓所限。當輸出電壓越低，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，雖負責濾波及維持低阻抗，但對負載旁路效果不大。由于電感的位置不當，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作為負載點轉(zhuǎn)換器，把分比母線升壓或降壓，提供隔離電壓給負載。負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。
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,可遠離負載。VTM作為負載點的轉(zhuǎn)換器，它不需要提供穩(wěn)壓的功能，?可以無須靠近負載。它只負責按K比值“倍大電流”或“降低電壓”(VOUT=VfK)，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載的電壓，否則它的占空比將無法管理。
[page]由于VTM負責在負載點變壓，它的K比值最高可達到200，分比母線因此無須受負載電壓限制，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，負載電壓是1V，分比母線可設(shè)定為48V，完全不受負載電壓或PRM與VTM的距離影響，不需在輸送損耗與轉(zhuǎn)換損耗中折沖取舍。重點是FPA把變壓的部份放在負載點，克服了IBA面對的難題，占空比可達100%。
FPA的瞬變反應(yīng)較IBA理想。如前述，IBA把電感器放在中轉(zhuǎn)母線與負載之間，產(chǎn)生電流慣性。在FPA分比母線與負載之間沒有電感器(圖6)，由于VTM不受電感慣性左右，可快速的反應(yīng)負載變化。在分比母線的電容由于沒有電感的阻隔，可對負載有效旁路，該電容相等于在負載加上1/K2倍電容值，這便無須在負載點加上大電容。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)。負載電壓按VTM的輸出阻抗的比例升降(VfK-IoutRout)。一個PRM可同時連接多個VTM。
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+/-1%。
遙感閉環(huán)(圖10)把負載電壓反饋到PRM。這方法的穩(wěn)壓精度最高可達+/-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。
