分比式功率——配合未來(lái)電源發(fā)展的架構(gòu)
Vicor公司應(yīng)用工程師 劉廣緣
近年電子及數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及分布式供電系統(tǒng)的推廣， DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用越來(lái)越廣， 新的微處理器、記憶體、DSP及ASIC都趨向要求低電壓、大電流供電。 面對(duì)新世代的電子器件和負(fù)載，電源業(yè)要面對(duì)重大的挑戰(zhàn)，產(chǎn)品除了能在低電壓輸出大電流外， 還要做到體積小、重量輕、動(dòng)態(tài)反應(yīng)快， 噪聲小和價(jià)錢(qián)相宜。 這些需求促使業(yè)界重新審視現(xiàn)有和架構(gòu)。
電源架構(gòu)的發(fā)展 （CPA）
集中式電源，這是zui基本的電源結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單、成本輕。它把從前端到DC-DC轉(zhuǎn)換的功能集中在個(gè)框架， 減少占用負(fù)載點(diǎn)的電路板空間， 避免串接作多次功率轉(zhuǎn)換，效率較佳，也相對(duì)能處理散熱及EMI問(wèn)題。 設(shè)計(jì)師也需要在I2R功耗與EMI兩方面平衡考慮，決定電源與負(fù)載的距離。雖然集中式電源在很多應(yīng)用上運(yùn)作良好，但對(duì)要求低電壓、多個(gè)負(fù)載點(diǎn)的應(yīng)用，不是很適合。
分布式架構(gòu) （DPA）
自80年代，電源模塊面世后，分布式架構(gòu)被采用，成為zui常用的架構(gòu)。（磚式的電源模塊齊備了DC-DC轉(zhuǎn)換器的三項(xiàng)基本功能: 、變壓和穩(wěn)壓，工程師可以把電源模塊置在系統(tǒng)電路板上，靠近負(fù)載供電。分布式架構(gòu)是由較粗糙的DC母線(xiàn)（般為48V或300V）供電， 再由放置在系統(tǒng)電路板旁的DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成合適的電壓為負(fù)載供電。這種布局可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，避免整個(gè)系統(tǒng)在低電壓操作所產(chǎn)生的問(wèn)題。
分布式電源的成本般較，尤其是在負(fù)載數(shù)目多的情形下，需要占用較大的電路板空間。而且在每個(gè)負(fù)載點(diǎn)都重復(fù)包括、變壓、穩(wěn)壓、EMI濾波和輸入保護(hù)等功能，模塊的成本自然增大。
中轉(zhuǎn)母線(xiàn)架構(gòu) （IBA）
中轉(zhuǎn)母線(xiàn)架構(gòu) （圖1） 彌補(bǔ)了分布式電源架構(gòu)的缺點(diǎn)。它把DC-DC轉(zhuǎn)換器的、變壓及穩(wěn)壓功能分配到兩個(gè)器件。 IBC （中轉(zhuǎn)母線(xiàn)轉(zhuǎn)換器） 具變壓及功能。niPoL （非負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器） 則提供穩(wěn)壓功能。 IBC把半穩(wěn)壓的分布母線(xiàn)轉(zhuǎn)為不穩(wěn)壓及的中轉(zhuǎn)母線(xiàn)電壓（般是12V）， 供電給連串的niPoL。 niPoL 靠近負(fù)載， 提供變壓及穩(wěn)壓功能。IBA 的理念是把母線(xiàn)電壓降至個(gè)稍稍于負(fù)載點(diǎn)的電壓，再由較便宜的降壓器（niPoL）來(lái)完成余下的工作。降壓器（niPoL）經(jīng)由電感器傳輸電壓到負(fù)載，這電壓相等于上開(kāi)關(guān)和下開(kāi)關(guān)共同端電壓的平均值，等如上開(kāi)關(guān)電壓占空比與中轉(zhuǎn)母線(xiàn)的乘積。
中轉(zhuǎn)母線(xiàn)架構(gòu)的問(wèn)題是令I(lǐng)BC和niPoL均能操作的條件是互相沖突的。 圖2比較了多個(gè)把48V分布母線(xiàn)轉(zhuǎn)為1V用的方法，各分布母線(xiàn)的寬度了所帶的電流。
*個(gè)例子顯示由48V直接用niPoL轉(zhuǎn)為1V，雖然電流和功耗都很少，但niPoL的占空比只有2%。占空比太低，會(huì)引發(fā)峰值電流，輸入輸出紋波太大，瞬態(tài)反應(yīng)慢，噪聲及功率密度低等問(wèn)題。
第二個(gè)例子，以IBC轉(zhuǎn)換48V母線(xiàn)至12V中轉(zhuǎn)電壓，niPoL的占空比是8%，改進(jìn)不大。而IBC所帶的電流比*個(gè)例子四倍。避免分布損耗，母線(xiàn)的截面面積需增大16倍，或縮短IBC與niPoL的距離。
余下兩個(gè)例子顯示利用IBC轉(zhuǎn)換48V至3V或2V。電壓越低，占空比越。但中轉(zhuǎn)母線(xiàn)電流亦越大，分布損耗多。由于母線(xiàn)電流，在這兩個(gè)例子中，IBC與niPoL 要靠得很近。在2V的例子，niPOL的占空比是5, 很好, 但此時(shí)IBC要跟著niPOL的尾巴走, 彼此靠近得如同整體是個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器,說(shuō)明將DC-DC轉(zhuǎn)換器分開(kāi)兩個(gè)器件的甩的在IBA是達(dá)不到的， 重復(fù)分布式架構(gòu)的困局，不能發(fā)揮IBA的優(yōu)點(diǎn)。
IBA的另個(gè)問(wèn)題是niPOL的瞬變反應(yīng)。niPOL能否地按負(fù)載變化加大或減少電流呢? 它的根本難處是它把電感器放錯(cuò)了位置。
電感器內(nèi)的電流變化率由加于電感器上的電壓決定。在低電壓應(yīng)用時(shí)，當(dāng)負(fù)載處于大電流狀態(tài)，它的電流變化率受輸出電壓所限。當(dāng)輸出電壓越低，電流變化率越小， 需要長(zhǎng)的時(shí)間減低電流，即越難停止電感的慣電流，復(fù)原的時(shí)間亦長(zhǎng)，需要在輸出加上大電容。
在niPOL前放置的大電容， 雖負(fù)責(zé)濾波及維持低阻抗， 但對(duì)負(fù)載旁路效果不大。 由于電感的位置不當(dāng)，產(chǎn)生電流慣，因此需要在輸出加上大電容以保持穩(wěn)定。
總的來(lái)說(shuō)， IBA架構(gòu)內(nèi)存在固有的互相抵觸的效應(yīng)，它的根本原因可追索到基本的奧姆定律，只能在某些范圍內(nèi)折沖使用。 但對(duì)另些應(yīng)用，以上提到的缺點(diǎn)便浮現(xiàn)出來(lái)了。
