電源分配結構的三大轉變?yōu)殡娫垂芾砑夹g開創(chuàng)新局面

隨著信息系統(tǒng)結構的急劇發(fā)展，電源分配結構也出現(xiàn)翻天覆地的改變，本文主要討論電源分配結構三方面的轉變，包括：中間總線結構、數(shù)字控制技術以及采用負載點電源管理技術的新趨勢。

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

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

IBA結構采用隔離的總線轉換器，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”低壓配電總線為負載點的多個非隔離穩(wěn)壓器提供饋電。由于IBA結構采用兩級的功率轉換，因此總線轉換器及負載點穩(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結構才可充分發(fā)揮其優(yōu)勢，成為遠比一級電源分配系統(tǒng)優(yōu)勝的另一選擇。

本文主要討論電源分配結構三方面的轉變：例如中間總線結構的面世；數(shù)字控制技術的出現(xiàn)；以及采用負載點電源管理技術的新趨勢。以上的每一個轉變都可視為電源分配技術的一個新突破，讓系統(tǒng)的使用壽命和性能可以提高至前所未有的水平。

中間總線結構

從系統(tǒng)設計的角度看，電源管理技術大約在五年前便進入一個轉折點。對于臺式的電信及數(shù)據(jù)通信設備來說，利用風扇散熱的散熱方式已到了成效無法進一步突破的極限。

這些年來通信設備的帶寬不斷提高，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，通信設備便要加設更多數(shù)字信號處理器、現(xiàn)場可編程門陣列以及數(shù)字特殊應用集成電路，以致負載數(shù)目越來越多，加上負載本身也越趨復雜，令傳統(tǒng)的電源分配結構無法滿足新功能的供電要求。圖1所示的傳統(tǒng)式電源分配結構采用已隔離的多輸出模塊式直流/直流轉換器(磚塊)，而且每張插卡分別設有自己的轉換器。這個結構的每一負載電流都相當高，令每一轉換器磚塊與每一負載點之間的個人電腦電路板線跡出現(xiàn)IR壓降，導致電壓極不穩(wěn)定。

解決辦法是將隔離屏障、降壓及負載點穩(wěn)壓分為兩個不同的轉換級，以取代多輸出轉換器磚塊。這個結構上的改變(參看圖2)也有其本身的問題要解決；例如，每一轉換級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。

這個結構一般采用成本較低而穩(wěn)壓效果較差的初級轉換級執(zhí)行絕緣及降壓功能，而負載點附近則另有效率較高的高精度次級轉換級。這個初級轉換級稱為中間總線轉換器(IBC)。一般來說，中間總線轉換器會為變壓器設定“伏×秒”這個恒定乘積，以穩(wěn)定線路電壓，但負載點穩(wěn)壓的效果一般都差強人意，電壓波幅一般約為±10%。

整個穩(wěn)壓過程通常就在初級線圈內(nèi)完成，初級線圈更負責監(jiān)控由初級線圈按照匝數(shù)比反射至輔助線圈的輸出電壓。系統(tǒng)啟動后，輔助線圈也會為初級線圈控制電路、驅動電路及穩(wěn)壓電路提供供電。相比之下，設于負載點的穩(wěn)壓器可以為負載提供極穩(wěn)定的穩(wěn)壓效果，電壓波幅一般不會超過±1%，而且不用隔離。電信系統(tǒng)的初級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。

電源分配結構出現(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)界更積極討論為負載點穩(wěn)壓器制定一個業(yè)內(nèi)標準。

目前業(yè)界已成立了三個聯(lián)盟組織(電源分配開放式標準聯(lián)盟(DOSA)、負載點聯(lián)盟(POLA)以及電源制造商商會(PSMA)的板上貼裝電源(BMPS)計劃，努力為封裝及接口制定通用的業(yè)界標準。這個發(fā)展也導致供應鏈出現(xiàn)微妙的變化，部分供應商開始推出與以往不同的產(chǎn)品。例如，半導體制造商開始生產(chǎn)模塊式功率轉換器，而電源供應器制造商開始自行設計硅片并在這個基礎上推出采用CSP封裝的穩(wěn)壓器。

圖2：中間總線結構每一轉換級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、設計靈活性及可靠性等方面都有很大的優(yōu)勢，這是采用數(shù)字控制技術的三個主要原因。由于工藝技術越趨精密，芯片體積也越趨細小，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)還有更強的噪音抑制能力，以及能充分利用先進的自適應快速控制功能，讓設計電源供應系統(tǒng)的工程師可以采用電源因數(shù)調節(jié)技術及諧振轉換布局。由于這兩種新技術較為復雜，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)字控制是一個風險頗大的轉變。

部分保守的電源供應系統(tǒng)設計工程師多年來一直采用模擬控制系統(tǒng)，甚至因為慣用模擬系統(tǒng)而變得因循守舊。對于他們來說，數(shù)字控制是一個全新的概念，也是一種全新的工具。例如，提前/滯后補償要改為比例積分導數(shù)(PID)控制。取樣理論及時域分析成為常用的工具，而客戶也預期復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)字控制技術主要用于一些特殊的應用系統(tǒng)，例如部分應用的負載系統(tǒng)時間常數(shù)相當長，有足夠的時間容許即時計算脈沖寬度及參考對照表，所以一直以來數(shù)字控制技術主要用于這類系統(tǒng)。設有電源因素調節(jié)功能的充電系統(tǒng)，例如電話交換機的整流器，便是一個好例子。

醫(yī)療設備是另一充分利用數(shù)字控制技術的領域。美國食物及醫(yī)藥管理局(FDA)對病人可以承受的高能輻射量有非常嚴格的規(guī)定。數(shù)字控制系統(tǒng)具有可重復運作及自動校正等優(yōu)點，因此是醫(yī)療設備的首選控制方案。

供電系統(tǒng)是否容易讓人管理

由于電源分配結構的負載數(shù)目不斷增加，而且負載本身也越趨復雜，因此系統(tǒng)設計工程師必須解決負載電源的管理問題。像現(xiàn)場可編程門陣列及數(shù)字信號處理器等復雜負載尤其需要電源供應系統(tǒng)為其核心及輸入/輸出分別提供不同的供電。

根據(jù)摩爾定律的預測，核心處理器將會越趨小巧精密，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準，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，復雜的負載在進行自動測試時經(jīng)常需要加以“邊際電壓調節(jié)”，甚至要向高能源效益系統(tǒng)提供有關負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。每當核心獲得電源供應時，供電電壓會順便跟蹤其時脈，以便為核心提供足夠的供電，確保核心可以完成正在進行的工作。電源管理能力就是可靈活配置電源供應系統(tǒng)的一種能力，以便系統(tǒng)可以充分利用感測數(shù)字如溫度、氣流或信號完整性，以及自動為傳感器這些感測數(shù)字提供補償。

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。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可支持診斷、內(nèi)置測試及供電系統(tǒng)配置等功能的通用標準。另一個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)才可進行高功率操作，保持高度的穩(wěn)定性及確保不會出現(xiàn)故障。

總而言之，電源管理技術不僅有用，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，因此懂得電源管理技術真正價值所在的半導體廠商都在構思電源管理結構的最初階段便征詢客戶的意見，了解其要求，不會在開發(fā)周期的最后階段才與其客戶磋商，因為到了這個階段，可以改善的空間已不多。電源分配結構技術的最新發(fā)展充分顯示廠商與客戶的密切關系，換言之，雙方越早合作，新技術便越能滿足客戶目前及長遠的要求。