DC/DC模塊電源發(fā)展動(dòng)態(tài)

2004年6月A版

摘   要：  本文綜述了當(dāng)前DC/DC模塊電源的發(fā)展動(dòng)態(tài)，介紹中間總線結(jié)構(gòu)IBA、DC/DC模塊電源標(biāo)準(zhǔn)以及它們對(duì)DC/DC模塊電源產(chǎn)品發(fā)展的影響。

前言

　　為適應(yīng)IT產(chǎn)品的小型化、便攜式發(fā)展，要求開(kāi)關(guān)電源的體積更小、效率更高。在能源之星(Energy Star)認(rèn)證和發(fā)達(dá)國(guó)家有關(guān)政策的推動(dòng)下，人們對(duì)電源變換器的效率要求日益提高。隨著CPU等超大規(guī)模集成電路的集成度的提高，它所要求的工作電壓日趨下降，而需要的供電電流日趨上升，同時(shí)要求電源具有更高的動(dòng)態(tài)性能。另外電源輸出電壓種類向多元化發(fā)展，圖 1為NORTEL發(fā)布的通信電源輸出電壓多元化發(fā)展的情況。電源產(chǎn)品需要滿足高功率密度、低壓大電流、高動(dòng)態(tài)性能、輸出電壓種類的多元化、熱切換、可靠性、環(huán)保等更為苛刻的要求。IT產(chǎn)品的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)部分轉(zhuǎn)移到了開(kāi)關(guān)電源上，要求開(kāi)關(guān)電源具有更高性能的同時(shí)，價(jià)格進(jìn)一步下降，電源產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。

　　2001年北美和歐洲對(duì)DC/DC模塊(包括隔離或非隔離)的產(chǎn)值達(dá)29億美元，預(yù)計(jì)到2006年增長(zhǎng)至36億美元。DC/DC模塊主要有4類用戶：電腦和辦公自動(dòng)化、通信、工業(yè)和儀表(醫(yī)療)、軍事與航天，其中通信貢獻(xiàn)最大，達(dá)47%(2001年)。在美國(guó)經(jīng)濟(jì)泡沫破裂前的1999年， DC/DC電源增長(zhǎng)率達(dá)到10.5%。預(yù)計(jì)2004年DC/DC電源增長(zhǎng)率為5.7%。除全球經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)率下降因素外，影響DC/DC電源增長(zhǎng)的主要原因是DC/DC電源的價(jià)格迅速下降。美國(guó)Darnell Group咨詢公司認(rèn)為影響DC/DC電源增長(zhǎng)率變慢的原因主要有：中間總線結(jié)構(gòu)(IBA)的廣泛采用、大量采用廉價(jià)的非隔離負(fù)荷點(diǎn)變換器(POL)、模塊電源廠家的激烈競(jìng)爭(zhēng)。

　　DC/DC模塊電源的種類繁多，這里重點(diǎn)討論板載電源(Board Mounted Power Supplies)。板載電源一般在PCB或DBC等基板上，采用SMT或MCM工藝制成的DC/DC變換器。板載電源分為隔離磚塊電源、負(fù)荷點(diǎn)電源(POL) 、電壓調(diào)整模塊(VRM)。電壓調(diào)整模塊(VRM)是一個(gè)專門給CPU供電的電源模塊，目前主要采用多相BUCK電路結(jié)構(gòu)，因此可以與負(fù)荷點(diǎn)電源(POL)歸為同一類型。
 
磚塊電源

　　1996年朗訊科技公司(Lucent Technologies)推出了半磚電源模塊，后來(lái)成為磚塊電源的標(biāo)準(zhǔn)。2002年出現(xiàn)了1/8磚塊電源。圖 2為磚塊電源的外形。

　　據(jù)美國(guó)電源制造者協(xié)會(huì)(PSMA)預(yù)測(cè)，未來(lái)5年中磚塊電源主要產(chǎn)品的功率范圍在50-250W，同步整流有源鉗位正激變換器仍將是主流拓?fù)洹elestica預(yù)測(cè)開(kāi)關(guān)頻率將增加到250~500kHz。變換效率將從88%(3.3V)提高到90%(1V)。磚塊電源的輸出將由目前離散電壓5V，3.3V，2.5V，1.8V等朝1~2.5V可調(diào)，5~12V可調(diào)方向發(fā)展。

　　目前關(guān)于磚塊電源是否會(huì)在今后的5年中普遍采用數(shù)字化控制技術(shù)仍存在意見(jiàn)分歧。

負(fù)荷點(diǎn)電源(POL)

　　隨著IC供電電壓的下降和所需電流的增加，具有在緊貼負(fù)荷放置DC/DC變換器的要求，推動(dòng)了非隔離負(fù)荷點(diǎn)電源(POL)得到迅速發(fā)展。非隔離負(fù)荷點(diǎn)電源的輸入電壓一般為3.3V, 5V或12V。負(fù)荷點(diǎn)電源比磚塊電源的成本低、體積小，通過(guò)在負(fù)荷旁安裝POL模塊滿足大規(guī)模集成電路需要低壓大電流的供電和低供電噪聲的要求。負(fù)荷點(diǎn)電源(POL)的應(yīng)用降低了電壓降落的損耗、提高了EMC、提高了輸出的調(diào)整率和動(dòng)態(tài)性能。圖3為負(fù)荷點(diǎn)電源(POL)。

　　負(fù)荷點(diǎn)電源的主流拓?fù)錇橥秸鰾UCK電路或多相同步整流BUCK電路，它采用非隔離結(jié)構(gòu)。今后，級(jí)聯(lián)式變換器將在超低電壓輸出應(yīng)用場(chǎng)合得到應(yīng)用，諧振變換器、帶耦合電感的BUCK電路可能也有應(yīng)用的機(jī)會(huì)。據(jù)PSMA預(yù)測(cè)，2008年數(shù)字化控制將成為主流。集成化將取得進(jìn)展。預(yù)計(jì)到2008年20%非隔離DC/DC變換器將采用SoC技術(shù)，30%將采用多芯片模塊，而50%仍繼續(xù)采用傳統(tǒng)的分離元件技術(shù)。

供電結(jié)構(gòu)對(duì)DC/DC模塊發(fā)展的影響

　　開(kāi)關(guān)電源的供電結(jié)構(gòu)有多種，可以分為集中式結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)(DPA)、中間總線結(jié)構(gòu)(IBA)三種。集中式結(jié)構(gòu)，由一個(gè)集中的電源變換器產(chǎn)生所需各種電壓等級(jí)的輸出電壓，由于它成本低廉，至今仍是應(yīng)用最廣泛的一種形式。

　　分布式結(jié)構(gòu)如圖 4(a)所示，它采用48V的電壓直流總線，將電能送至負(fù)荷旁，然后通過(guò)獨(dú)立的隔離DC/DC模塊分別給各負(fù)荷供電。分布式結(jié)構(gòu)具有電源效率高、輸出電壓調(diào)整率高、輸出噪音小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等突出優(yōu)點(diǎn)，一度被認(rèn)為是電源發(fā)展的方向。分布式結(jié)構(gòu)首先在通信電源應(yīng)用，隨后迅速在PC電源、電視機(jī)頂盒、服務(wù)器等方面得到應(yīng)用。然而，分布式結(jié)構(gòu)由于所采用的DC/DC模塊均需要隔離，構(gòu)成的電源系統(tǒng)的成本較高。于是，出現(xiàn)了中間總線結(jié)構(gòu)的電源產(chǎn)品。

　　圖 4(b)為中間總線結(jié)構(gòu)。中間總線結(jié)構(gòu)有兩級(jí)構(gòu)成，首先通過(guò)隔離DC/DC變換器將48V變換成中間的電壓，采用中間的電壓總線，如圖中的12V電壓總線，將電能送至負(fù)荷旁，然后通過(guò)第二級(jí)非隔離DC/DC模塊(負(fù)荷點(diǎn)電源(POL)+VRM)給負(fù)荷供電。實(shí)際上，中間總線結(jié)構(gòu)是分布式結(jié)構(gòu)與集中式結(jié)構(gòu)的折中方案。中間總線結(jié)構(gòu)電源成本較低，具有較好的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著IC供電電壓的下降和所需電流的增加，具有在緊貼負(fù)荷放置DC/DC變換器的要求，推動(dòng)了IBA的應(yīng)用，非隔離負(fù)荷點(diǎn)電源(POL)得到迅速發(fā)展。

　　IBA結(jié)構(gòu)改變了DC/DC模塊電源發(fā)展趨勢(shì)，非隔離DC/DC模塊增長(zhǎng)速度已經(jīng)超過(guò)了隔離DC/DC模塊。非隔離DC/DC模塊增長(zhǎng)主要來(lái)自集線器、路由器等的增長(zhǎng)。表 2列出了不同類型DC/DC電壓產(chǎn)品的發(fā)展預(yù)測(cè)，可見(jiàn)集中式電源將呈下降的趨勢(shì)，而負(fù)荷點(diǎn)電源(POL)和VRM的增長(zhǎng)將從5%達(dá)到40%。

電源模塊標(biāo)準(zhǔn)

　　2003年Texas Instruments 、Artesyn Technologies 和 Astec Power三家公司成立了負(fù)荷點(diǎn)電源模塊的聯(lián)盟 (POLA)，旨在實(shí)現(xiàn)負(fù)荷點(diǎn)電源模塊互換性，制定了負(fù)荷點(diǎn)電源模塊的標(biāo)準(zhǔn)，包括功能、引腳、外形的標(biāo)準(zhǔn)。外形如圖 5 所示。POLA指定的第一個(gè)產(chǎn)品系列的標(biāo)準(zhǔn)如表3所示，根據(jù)輸出電流的大小可分成5個(gè)類型，每個(gè)類型又包含三種輸入電壓等級(jí)：3.3V, 5V和12V。為保證互換性，均采用PWM控制。POLA標(biāo)準(zhǔn)將有力推動(dòng)IBA結(jié)構(gòu)的更加廣泛的應(yīng)用。

　　2003年美國(guó)電源協(xié)會(huì)(PSMA)、歐洲電源協(xié)會(huì)(EPSMA)和高密度電源用戶組織(HDPUG)成立了一個(gè)工作小組(PSMA BMPS Format Initiative)，研究模塊電源標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語(yǔ)

　　中間總線結(jié)構(gòu)(IBA)和負(fù)荷點(diǎn)電源模塊標(biāo)準(zhǔn)(POLA)將加速負(fù)荷點(diǎn)電源模塊 (POL)的技術(shù)和規(guī)模的迅速增長(zhǎng)，模塊電源將更多的采用集成化技術(shù)和數(shù)字化控制技術(shù)。■

 
參考文獻(xiàn)：

1. Charles E. Mullett, PSMA Chair，‘A 5-Year Power Technology Roadmap'，IEEE Proceeding of APEC04.

2. Jeffrey D. Shepard, ‘Power Electronics Futures’，IEEE Proceeding of APEC04.

3. Andrew Fanara, ‘ENERGY STAR(r): A Strategy to Encourage Improved Efficiency of Power Supplies’，IEEE Proceeding of APEC04.