電源分配結(jié)構(gòu)的三大轉(zhuǎn)變?yōu)殡娫垂芾砑夹g(shù)開創(chuàng)新局面

隨著信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的急劇發(fā)展，電源分配結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)翻天覆地的改變，本文主要討論電源分配結(jié)構(gòu)三方面的轉(zhuǎn)變，包括：中間總線結(jié)構(gòu)、數(shù)字控制技術(shù)以及采用負(fù)載點(diǎn)電源管理技術(shù)的新趨勢(shì)。

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師不斷提高轉(zhuǎn)換器的性能及功率密度，因此傳統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換技術(shù)漸漸被中間總線結(jié)構(gòu)(IBA)這類全新的電源分配結(jié)構(gòu)所取代。中間總線結(jié)構(gòu)是最新推出的結(jié)構(gòu)，可以控制復(fù)合式電源系統(tǒng)內(nèi)多條不同的低電壓供電干線。這類復(fù)合式電源系統(tǒng)一般都會(huì)采用ASIC、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)及現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)，是電信系統(tǒng)、汽車電子系統(tǒng)及工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)普遍采用的電源供應(yīng)系統(tǒng)。

圖1：傳統(tǒng)式電源分配結(jié)構(gòu)采用已隔離的多輸出模塊式直流/直流轉(zhuǎn)換器，而且每張插卡分別設(shè)有自己的轉(zhuǎn)換器，但仍然無法滿足日益增多的要求。

IBA結(jié)構(gòu)采用隔離的總線轉(zhuǎn)換器，由高壓電源分配干線提供供電，并通過典型電壓介于8伏至14伏之間的“中間”低壓配電總線為負(fù)載點(diǎn)的多個(gè)非隔離穩(wěn)壓器提供饋電。由于IBA結(jié)構(gòu)采用兩級(jí)的功率轉(zhuǎn)換，因此總線轉(zhuǎn)換器及負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器必須更有效率，而且體積必須更為小巧，確保能夠安裝在面積較小的電路板上，只有這樣IBA結(jié)構(gòu)才可充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，成為遠(yuǎn)比一級(jí)電源分配系統(tǒng)優(yōu)勝的另一選擇。

本文主要討論電源分配結(jié)構(gòu)三方面的轉(zhuǎn)變：例如中間總線結(jié)構(gòu)的面世；數(shù)字控制技術(shù)的出現(xiàn)；以及采用負(fù)載點(diǎn)電源管理技術(shù)的新趨勢(shì)。以上的每一個(gè)轉(zhuǎn)變都可視為電源分配技術(shù)的一個(gè)新突破，讓系統(tǒng)的使用壽命和性能可以提高至前所未有的水平。

中間總線結(jié)構(gòu)

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度看，電源管理技術(shù)大約在五年前便進(jìn)入一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。對(duì)于臺(tái)式的電信及數(shù)據(jù)通信設(shè)備來說，利用風(fēng)扇散熱的散熱方式已到了成效無法進(jìn)一步突破的極限。

這些年來通信設(shè)備的帶寬不斷提高，信息內(nèi)容也越來越多樣化，但仍然無法滿足廣大用戶的要求。用戶的要求越高，通信設(shè)備便要加設(shè)更多數(shù)字信號(hào)處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列以及數(shù)字特殊應(yīng)用集成電路，以致負(fù)載數(shù)目越來越多，加上負(fù)載本身也越趨復(fù)雜，令傳統(tǒng)的電源分配結(jié)構(gòu)無法滿足新功能的供電要求。圖1所示的傳統(tǒng)式電源分配結(jié)構(gòu)采用已隔離的多輸出模塊式直流/直流轉(zhuǎn)換器(磚塊)，而且每張插卡分別設(shè)有自己的轉(zhuǎn)換器。這個(gè)結(jié)構(gòu)的每一負(fù)載電流都相當(dāng)高，令每一轉(zhuǎn)換器磚塊與每一負(fù)載點(diǎn)之間的個(gè)人電腦電路板線跡出現(xiàn)IR壓降，導(dǎo)致電壓極不穩(wěn)定。

解決辦法是將隔離屏障、降壓及負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓分為兩個(gè)不同的轉(zhuǎn)換級(jí)，以取代多輸出轉(zhuǎn)換器磚塊。這個(gè)結(jié)構(gòu)上的改變(參看圖2)也有其本身的問題要解決；例如，每一轉(zhuǎn)換級(jí)必須占用不超過原有解決方案體積的一半空間，而且整體來說串行組合也必須能夠發(fā)揮更高的效率。

這個(gè)結(jié)構(gòu)一般采用成本較低而穩(wěn)壓效果較差的初級(jí)轉(zhuǎn)換級(jí)執(zhí)行絕緣及降壓功能，而負(fù)載點(diǎn)附近則另有效率較高的高精度次級(jí)轉(zhuǎn)換級(jí)。這個(gè)初級(jí)轉(zhuǎn)換級(jí)稱為中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)。一般來說，中間總線轉(zhuǎn)換器會(huì)為變壓器設(shè)定“伏×秒”這個(gè)恒定乘積，以穩(wěn)定線路電壓，但負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓的效果一般都差強(qiáng)人意，電壓波幅一般約為±10%。

整個(gè)穩(wěn)壓過程通常就在初級(jí)線圈內(nèi)完成，初級(jí)線圈更負(fù)責(zé)監(jiān)控由初級(jí)線圈按照匝數(shù)比反射至輔助線圈的輸出電壓。系統(tǒng)啟動(dòng)后，輔助線圈也會(huì)為初級(jí)線圈控制電路、驅(qū)動(dòng)電路及穩(wěn)壓電路提供供電。相比之下，設(shè)于負(fù)載點(diǎn)的穩(wěn)壓器可以為負(fù)載提供極穩(wěn)定的穩(wěn)壓效果，電壓波幅一般不會(huì)超過±1%，而且不用隔離。電信系統(tǒng)的初級(jí)線圈電源分配總線都在-36至-72伏的電壓范圍內(nèi)操作，而數(shù)據(jù)通信設(shè)備的總線則在+43至53伏的電壓范圍內(nèi)操作。中間總線的操作電壓通常介于8至14伏之間。

電源分配結(jié)構(gòu)出現(xiàn)這樣重大的改變之后，集成電路、穩(wěn)壓器及模塊式直流/直流轉(zhuǎn)換器也受其影響而飛速發(fā)展。最近業(yè)界更積極討論為負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器制定一個(gè)業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。

目前業(yè)界已成立了三個(gè)聯(lián)盟組織(電源分配開放式標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟(DOSA)、負(fù)載點(diǎn)聯(lián)盟(POLA)以及電源制造商商會(huì)(PSMA)的板上貼裝電源(BMPS)計(jì)劃，努力為封裝及接口制定通用的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)發(fā)展也導(dǎo)致供應(yīng)鏈出現(xiàn)微妙的變化，部分供應(yīng)商開始推出與以往不同的產(chǎn)品。例如，半導(dǎo)體制造商開始生產(chǎn)模塊式功率轉(zhuǎn)換器，而電源供應(yīng)器制造商開始自行設(shè)計(jì)硅片并在這個(gè)基礎(chǔ)上推出采用CSP封裝的穩(wěn)壓器。

圖2：中間總線結(jié)構(gòu)每一轉(zhuǎn)換級(jí)的體積必須不可超過原有解決方案體積的一半。

數(shù)字系統(tǒng)的供電

數(shù)字控制系統(tǒng)在成本、設(shè)計(jì)靈活性及可靠性等方面都有很大的優(yōu)勢(shì)，這是采用數(shù)字控制技術(shù)的三個(gè)主要原因。由于工藝技術(shù)越趨精密，芯片體積也越趨細(xì)小，因此數(shù)字集成電路可以采用更小巧的無封裝裸片，令數(shù)字芯片的功耗比模擬芯片少。

此外，數(shù)字控制系統(tǒng)還有更強(qiáng)的噪音抑制能力，以及能充分利用先進(jìn)的自適應(yīng)快速控制功能，讓設(shè)計(jì)電源供應(yīng)系統(tǒng)的工程師可以采用電源因數(shù)調(diào)節(jié)技術(shù)及諧振轉(zhuǎn)換布局。由于這兩種新技術(shù)較為復(fù)雜，因此模擬控制系統(tǒng)一直無法充分加以利用。但舍棄模擬控制改用數(shù)字控制是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)頗大的轉(zhuǎn)變。

部分保守的電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師多年來一直采用模擬控制系統(tǒng)，甚至因?yàn)閼T用模擬系統(tǒng)而變得因循守舊。對(duì)于他們來說，數(shù)字控制是一個(gè)全新的概念，也是一種全新的工具。例如，提前/滯后補(bǔ)償要改為比例積分導(dǎo)數(shù)(PID)控制。取樣理論及時(shí)域分析成為常用的工具，而客戶也預(yù)期復(fù)雜的圖像用戶接口能輸入控制系數(shù)以及模擬供電系統(tǒng)的性能。

一直以來，數(shù)字控制技術(shù)主要用于一些特殊的應(yīng)用系統(tǒng)，例如部分應(yīng)用的負(fù)載系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)相當(dāng)長(zhǎng)，有足夠的時(shí)間容許即時(shí)計(jì)算脈沖寬度及參考對(duì)照表，所以一直以來數(shù)字控制技術(shù)主要用于這類系統(tǒng)。設(shè)有電源因素調(diào)節(jié)功能的充電系統(tǒng)，例如電話交換機(jī)的整流器，便是一個(gè)好例子。

醫(yī)療設(shè)備是另一充分利用數(shù)字控制技術(shù)的領(lǐng)域。美國(guó)食物及醫(yī)藥管理局(FDA)對(duì)病人可以承受的高能輻射量有非常嚴(yán)格的規(guī)定。數(shù)字控制系統(tǒng)具有可重復(fù)運(yùn)作及自動(dòng)校正等優(yōu)點(diǎn)，因此是醫(yī)療設(shè)備的首選控制方案。

供電系統(tǒng)是否容易讓人管理

由于電源分配結(jié)構(gòu)的負(fù)載數(shù)目不斷增加，而且負(fù)載本身也越趨復(fù)雜，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須解決負(fù)載電源的管理問題。像現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列及數(shù)字信號(hào)處理器等復(fù)雜負(fù)載尤其需要電源供應(yīng)系統(tǒng)為其核心及輸入/輸出分別提供不同的供電。

根據(jù)摩爾定律的預(yù)測(cè)，核心處理器將會(huì)越趨小巧精密，而且通常以1伏或更低的電壓操作，但輸入/輸出則受制于通信接口標(biāo)準(zhǔn)，只能以傳統(tǒng)的電壓(例如3.3或5.0伏)操作。由于這些子電路通常都被集成電路內(nèi)置的反向偏壓靜電釋放二極管所分隔，集成電路的供電必須按照特定的次序提供及終止，而且系統(tǒng)必須跟蹤供電情況，以免電路出現(xiàn)鎖定及損毀。

此外，復(fù)雜的負(fù)載在進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試時(shí)經(jīng)常需要加以“邊際電壓調(diào)節(jié)”，甚至要向高能源效益系統(tǒng)提供有關(guān)負(fù)載狀況及其最新功耗量的資料。“操作期間控制”功能便是這樣的一種技術(shù)。每當(dāng)核心獲得電源供應(yīng)時(shí)，供電電壓會(huì)順便跟蹤其時(shí)脈，以便為核心提供足夠的供電，確保核心可以完成正在進(jìn)行的工作。電源管理能力就是可靈活配置電源供應(yīng)系統(tǒng)的一種能力，以便系統(tǒng)可以充分利用感測(cè)數(shù)字如溫度、氣流或信號(hào)完整性，以及自動(dòng)為傳感器這些感測(cè)數(shù)字提供補(bǔ)償。

如果分立式電源管理系統(tǒng)占用越來越多電路板空間，以致占用面積幾乎接近輸電系統(tǒng)的面積，我們便必須采用集成式供電系統(tǒng)管理技術(shù)。電路板的空間非常寶貴，用于管理供電系統(tǒng)的空間增加，也就表示用于支持信息內(nèi)容及帶寬的空間會(huì)受到壓縮，因此我們也就不得不采用更高度集成的電源管理系統(tǒng)，以致最后不得不采用一個(gè)可支持診斷、內(nèi)置測(cè)試及供電系統(tǒng)配置等功能的通用標(biāo)準(zhǔn)。另一個(gè)使我們必須采用集成式電源管理系統(tǒng)的原因是只有這樣系統(tǒng)才可進(jìn)行高功率操作，保持高度的穩(wěn)定性及確保不會(huì)出現(xiàn)故障。

總而言之，電源管理技術(shù)不僅有用，且日漸受到重視。系統(tǒng)到頭來能否真正發(fā)揮卓越的性能，很多情況下取決于所采用的電源管理技術(shù)，因此懂得電源管理技術(shù)真正價(jià)值所在的半導(dǎo)體廠商都在構(gòu)思電源管理結(jié)構(gòu)的最初階段便征詢客戶的意見，了解其要求，不會(huì)在開發(fā)周期的最后階段才與其客戶磋商，因?yàn)榈搅诉@個(gè)階段，可以改善的空間已不多。電源分配結(jié)構(gòu)技術(shù)的最新發(fā)展充分顯示廠商與客戶的密切關(guān)系，換言之，雙方越早合作，新技術(shù)便越能滿足客戶目前及長(zhǎng)遠(yuǎn)的要求。