采用分比式功率架構(gòu)模塊構(gòu)建靈活高效的電源系統(tǒng)

Vicor公司的分比式功率架構(gòu)模塊產(chǎn)品包括預(yù)穩(wěn)壓模塊(PRM)、電壓轉(zhuǎn)變模塊(VTM)及中間總線轉(zhuǎn)換模塊(BCM)，額定輸出功率均為300W，功率密度高達(dá)875W/in3，比磚式模塊高出5倍。分比式功率架構(gòu)將電源系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮得淋漓盡致，它把系統(tǒng)的靈活性、功率密度、轉(zhuǎn)換效率、瞬變反應(yīng)、噪聲表現(xiàn)及可靠性等性能提升到最高的層面。

分比功率架構(gòu)系統(tǒng)由PRM及VTM組成，功率密度達(dá)350W/in3。由于VTM可轉(zhuǎn)換較高壓的分比總線而減少了I2R損耗，因此PRM也可安裝在離負(fù)載較遠(yuǎn)或甚至安裝在別的電路板上，并且在負(fù)載點(diǎn)上(POL)只需裝上VTM便可使負(fù)載點(diǎn)的功率密度超過875W/in3。

分比式功率架構(gòu)由VI芯片實(shí)現(xiàn)。VI芯片引腳有J引腳款式，適合板上表貼安裝，可傳送100A電流到負(fù)載點(diǎn)。VI芯片為同類產(chǎn)品在效率、負(fù)載反應(yīng)及噪聲方面的表現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

　　　　　　　　　　　　　　圖1：基本FPA VIC連接

高效率

PRM和VTM的效率高達(dá)99%和97%。PRM是VI芯片的其中一員；它可接受較寬的輸入電壓并轉(zhuǎn)換至分比總線，變?yōu)槭芸氐碾妷涸矗矢哌_(dá)97%至99%。VI芯片的另一成員是電壓轉(zhuǎn)變模組(VTM)；它把分比總線電壓轉(zhuǎn)換至負(fù)載點(diǎn)電壓?D?D可升壓或降壓，效率高達(dá)97%。而且VTM更擁有輸入與輸出間的隔離。用PRM和VTM組成電源系統(tǒng)，非穩(wěn)壓的直流源轉(zhuǎn)換至直流低壓輸出后，總效率一般達(dá)到90%至95%。而在很多情況下，即使是滿載工作，總效率也可能超過95%。

　　　　　　　　　　　　　圖2：一個(gè)PRM接多個(gè)VTM

靈活的電源

分比式功率架構(gòu)能賦予供電系統(tǒng)史無前例的靈活性，并可有效地提高系統(tǒng)密度和效率，組成便宜可靠的電源系統(tǒng)。

VI芯片和分比功率的大前提是增加電源系統(tǒng)的靈活性。相比分布式電源架構(gòu)的DC/DC轉(zhuǎn)換器，后者集三項(xiàng)基本轉(zhuǎn)換功能(隔離、轉(zhuǎn)變及穩(wěn)壓)于磚型模快中，但性能表現(xiàn)或價(jià)格還是不能滿足用戶的要求。而中間總線架構(gòu)(IBA)中的非隔離負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器(niPOL)則放棄了隔離及高比電壓轉(zhuǎn)換，這改善了價(jià)格的問題。但是這些轉(zhuǎn)換器必須依賴中轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器，而且它們的位置必須靠近，并提供低壓功率(輸入)，因而使對(duì)過壓敏感的負(fù)載容易受損壞，并且產(chǎn)生較大的地面回路噪聲。

　　　　　　　　　　　圖3：用VTM作為中間總線轉(zhuǎn)換器

而分比式功率架構(gòu)中的VI芯片克服了這些問題，把“穩(wěn)壓”與“隔離及轉(zhuǎn)換”功能分開。穩(wěn)壓是由VTM前面的PRM提供，而VTM則作為隔離及電壓轉(zhuǎn)換(可作任何比例轉(zhuǎn)變)并且可在負(fù)載點(diǎn)上工作。因此任何情況下，或在任何地方，只要有需要，都可使用分比功率架構(gòu)和VI芯片。分比功率架構(gòu)可取代集中式、分布式及中間總線式架構(gòu)從而獲得更靈活、便宜及高效的電源系統(tǒng)。而PRM及VTM的配對(duì)數(shù)目只需根據(jù)輸出電壓的數(shù)目、功率、個(gè)別的穩(wěn)壓或系統(tǒng)的容錯(cuò)要求增減，而且VTM及PRM VI芯片還可并聯(lián)，組成均流的高功率或帶冗余功能的電源系統(tǒng)。

　　　　　　　　　　　　　　　圖4：VTM應(yīng)用：開環(huán)

反應(yīng)快速的電源

今天，很多負(fù)載的共同要求不單是更高的電流，而且需要更快的瞬態(tài)響應(yīng)。VTM對(duì)不論大小的負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)時(shí)間，都少于1μs。這是比任何擁有最快響應(yīng)速度的磚型模塊快20倍。VTM采用3.5MHz的等效開關(guān)頻率及其專利的拓?fù)浼夹g(shù)，速度響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的次兆赫硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器。即使是專為最先進(jìn)微處理器的動(dòng)態(tài)要求而設(shè)計(jì)的多相位電壓穩(wěn)壓模塊(VRM)，也不及VTM優(yōu)越的快速功率處理。

　　　　　　　　　　　　圖5：VTM應(yīng)用：開環(huán)并聯(lián)

由于VTM具有高帶寬性能，因此無需使用負(fù)載點(diǎn)上大而笨重的旁路電容。即使不加旁路電容，VTM對(duì)負(fù)載、瞬變響應(yīng)時(shí)，只出現(xiàn)極有限的抖動(dòng)。只需加上細(xì)小而且低ESR/ESL值的陶瓷電容，就能足夠消除瞬態(tài)電壓過沖。

　　　　　　　　　圖6：VTM應(yīng)用：開環(huán)，與DC/DC轉(zhuǎn)換器連用

低噪聲的電源

3.5MHz的軟開關(guān)將噪聲限制到極低的水平，可免除使用大而笨重及昂貴的濾波器。
在電氣功率處理中，VI芯片獲得的是 “整潔”輸出。由于采用了一個(gè)新穎的、專利的軟開關(guān)(零電流/零電壓)拓樸，VI芯片實(shí)際上已消除了在硬開關(guān)、半次兆赫的磚型模塊所產(chǎn)生的傳導(dǎo)及輻射噪聲，而這些噪聲是鄰近而又高敏感電路所不能容忍的。系統(tǒng)工程師因此可以將隔離式的VTM放置于更接近負(fù)載點(diǎn)的位置上，并且不太需要擔(dān)憂開關(guān)噪聲及地面回路的問題。在沒有外加濾波電容時(shí)，VTM的輸出紋波少于1%。由于3.5MHz的軟開關(guān)極巧妙地應(yīng)用了連接器上的分布電感，只需加很少的陶瓷旁路電容于負(fù)載點(diǎn)上，便可把輸出紋波衰減至0.1%。由于采用軟開關(guān)技術(shù)，克服了開關(guān)頻率的障礙，系統(tǒng)內(nèi)的EMI濾波器得以簡(jiǎn)化，可縮少及降低成本。VI芯片就是這樣利用高頻軟開關(guān)來獲得噪聲衰減的好處的。

　　　　　　　　　　圖7：VTM應(yīng)用：閉環(huán)，與DC/DC轉(zhuǎn)換器連用

VI芯片成本很低，每W低至20美分。由于采用高密度功率組件，可以大大節(jié)省寶貴的電路板空間。所采取的開關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)可減低EMI濾波組件要求，節(jié)省原料成本及電路板空間。高頻率寬帶寬轉(zhuǎn)換可以免除使用鉭或鋁電容。

　　　　　　　　　　　　　　圖8：FPA應(yīng)用：閉環(huán)PRM

VI芯片可用SMD檢放機(jī)裝嵌，免除二次料接操作。可以在最短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)及品質(zhì)檢驗(yàn)過程。

　　　　　　　　　　　　　圖9：FPA應(yīng)用：獨(dú)立輸出。

圖10：FPA應(yīng)用：VRM功能


圖11：niPOL與VIC模塊對(duì)比