新的功率轉(zhuǎn)換拓樸架構(gòu)及分比功率架構(gòu)

　　80年代，零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)面世，生產(chǎn)廠家構(gòu)思出一種磚型的功率轉(zhuǎn)換元件。成為非常靈活的電源元件，取代了大部份客制電源。從此，電源元件工業(yè)便誕生了。最近，電源界又發(fā)生相類(lèi)似的突破，又一種新功率轉(zhuǎn)換技術(shù)出現(xiàn)了。它的開(kāi)關(guān)頻率達(dá) 3.5 MHz，體積只有晶片般大小，把電源模塊提升到另一層次。分比式功率架構(gòu)，帶來(lái)了前瞻性的優(yōu)勢(shì)。

　　舉例，設(shè)計(jì)師的重點(diǎn)是為系統(tǒng)或應(yīng)用供電，但不想系統(tǒng)空間被不必要的轉(zhuǎn)換功能占去。集中式電源架構(gòu)能有效地運(yùn)用電路板。但現(xiàn)在的負(fù)載要求趨向低電壓、高電流，集中式電源不能有效地把功率分布出去。同樣，分布式電源同時(shí)有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。它直接為負(fù)載供電，但同時(shí)帶來(lái)重量、體積以及散熱等問(wèn)題。最近期的架構(gòu)是中轉(zhuǎn)母線轉(zhuǎn)換，它利用非隔離負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器為負(fù)載供電，為了節(jié)省成本，把隔離和大比例的電壓轉(zhuǎn)換移到母線轉(zhuǎn)換器。但是，母線轉(zhuǎn)換器必須靠近負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器，以低壓供電。

圖1 – 傳統(tǒng)磚式模塊提供穩(wěn)壓、變壓和隔離

　　分比功率架構(gòu) (FPA)，克服了這些缺點(diǎn)，使電源轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)入新時(shí)代。分比功率架構(gòu)把三項(xiàng)基本轉(zhuǎn)換功能：穩(wěn)壓、變壓和隔離；分別置于兩個(gè)電源模塊里 (圖3)。預(yù)穩(wěn)壓模塊 (PRM) 提供穩(wěn)壓，它被設(shè)置于電壓轉(zhuǎn)變模塊 (VTM) 上端，而電壓轉(zhuǎn)變模塊 (VTM) 具變壓和隔離功能。

圖2 – 中轉(zhuǎn)母線架構(gòu) (IBA) 把穩(wěn)壓但非隔離的基本功能分配到負(fù)載點(diǎn)

圖3 - 分比功率架構(gòu) (FPA) 把變壓和隔離的功能分配到負(fù)載點(diǎn)

　　分比功率架構(gòu)透過(guò)把三項(xiàng)基本轉(zhuǎn)換功能；分別置于兩個(gè)電源模塊里來(lái)加強(qiáng)電源系統(tǒng)的靈活性。這架構(gòu)可靈活部署，電源設(shè)計(jì)師在需要時(shí)可以把 PRM 和 VTM 結(jié)合來(lái)使用。同樣可以把 PRM 從電路板上移走，只把 VTM 設(shè)于負(fù)載點(diǎn)。事實(shí)上，因?yàn)?VTM可以轉(zhuǎn)換相對(duì)較高的電壓，電壓可以最低功耗 I2R來(lái)分布，而 PRM 可遠(yuǎn)離負(fù)載或甚至放于另一塊電路板上。所以，電源設(shè)計(jì)師輕易地按著應(yīng)用來(lái)選擇合適的設(shè)置。

　　VTM 提供變壓和隔離的功能。VTM 可因應(yīng) k 因素的不同、或轉(zhuǎn)換比率來(lái)倍大或降低電壓。

　　非隔離的 PRM 可接受寬廣的輸入電壓及把它轉(zhuǎn)換為一個(gè)穩(wěn)壓的分比母線。PRM 的工作效率很高，一般在 97 – 99% 范圍 (典型值)。輸入電壓越接近分比電壓，效率便越高。以一個(gè) 48 V 系統(tǒng)為例，36 – 75 V 輸入范圍，輸出在 48 V 左右，效率可達(dá)到 99%。

　　分比功率架構(gòu)利用隔離的 VTM 作為負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器；把 VTM 靠近負(fù)載點(diǎn)可使轉(zhuǎn)換效率非常高，減少分布功耗及改善效率。

　　高頻率分比功率架構(gòu)晶片 (圖4)，使用軟開(kāi)關(guān)零電流/零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)，給設(shè)計(jì)師提供許多好處。首先，晶片體積細(xì)小、重量輕，功率密度非常高。非常薄身；距離基板小于 0.25” (6 mm)，可靈活配置于電源系統(tǒng)內(nèi)。單一個(gè) PRM 在 48 V 輸出時(shí)，最高功率可達(dá) 200 W，VTM 在高壓應(yīng)用最高可達(dá) 200 W，低壓應(yīng)用亦可達(dá) 100 A。由一個(gè) PRM 及一個(gè) VTM 組成的分比式功率架構(gòu)，功率密度可達(dá)400 W/in3。

圖4 - 分比功率架構(gòu)晶片尺寸的體積是 1.26 x 0.85 x 0.24吋 (32 x 21.5 x 6 mm)；重 0.43安士 (12.25g)。

　　相比開(kāi)關(guān)頻率在 MHz 范圍內(nèi)硬開(kāi)關(guān)模塊，這些晶片把傳導(dǎo)和輻射噪聲降至非常低的水平。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師容易地把隔離的 VTM 設(shè)置于負(fù)載點(diǎn)，不需擔(dān)心開(kāi)關(guān)噪聲和接地回路。

　　無(wú)需多加濾波電容器，VTM 的輸出紋波小于 1%。VTM 用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，工作頻率達(dá) 3.5 MHz，減低分布電感，加上優(yōu)良的連接，只需外加細(xì)小的旁路電容，輸出紋波可以降至負(fù)載電壓的 0.1%。

　　軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以克服開(kāi)關(guān)頻率障礙，令EMI 濾波變得簡(jiǎn)單、輕松以及較便宜。

　　PRM 接受一個(gè)寬廣范圍的電壓及把電壓轉(zhuǎn)換成分比母線 ── 一個(gè)受控的電壓源，效率達(dá) 97 - 99%。VTM 把分比母線電壓轉(zhuǎn)換成的負(fù)載電壓，可以升壓或降壓，效率高達(dá) 97%。VTM 同時(shí)提供輸入、輸出隔離。

　　一個(gè)由 PRM 及 VTM 組成的供電系統(tǒng)，由一個(gè)不穩(wěn)壓的 DC 電源提供一個(gè)低壓 DC 輸出，系統(tǒng)的典型效率是 90 - 95%。在很多情況下，滿(mǎn)載時(shí)效率可超出 95%。

　　由于晶片的開(kāi)關(guān)頻率高達(dá) 3.5 MHz，加上整個(gè)元件的設(shè)計(jì)都追求反應(yīng)快速，VTM 可在 200 納秒內(nèi)對(duì)任何幅度的負(fù)載變化作出反應(yīng)，并在 1 微秒內(nèi)返回。這比起最快的磚式模塊還要快上 20倍。就算專(zhuān)為滿(mǎn)足微處理器動(dòng)態(tài)需求而設(shè)計(jì)的多路 VRM 都不及VTM 反應(yīng)快速。