電源架構(gòu) 分比式功率

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(jiǎn)單、成本輕。它把從前端到DC-DC轉(zhuǎn)換的功能集中在一個(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)能容易處理散熱及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(xiàng)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(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(gè)負(fù)載點(diǎn)都重復(fù)包括隔離、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)母線架構(gòu) (IBA)

中轉(zhuǎn)母線架構(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)換器的隔離、變壓及穩(wěn)壓功能分配到兩個(gè)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(diǎn)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(gè)稍稍高于負(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)母線的乘積。

中轉(zhuǎn)母線架構(gòu)的問(wèn)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(gè)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(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)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(wèn)題。

第二個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)IBC要跟著niPOL的尾巴走, 彼此靠近得如同整體是一個(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的另一個(gè)問(wèn)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(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, 需要更長(zhǎng)的時(shí)間減低電流,即越難停止電感的慣性電流,復(fù)原的時(shí)間亦更長(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)生電流慣性,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)另一些應(yīng)用,以上提到的缺點(diǎn)便浮現(xiàn)出來(lái)了。