電源架構 分比式功率

近年電子及數據產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及分布式供電系統的推廣, DC-DC轉換器的應用越來(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。 面對新世代的電子器件和負載,電源業(yè)要面對重大的挑戰, 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)界重新審視現有技術(shù)和架構。

電源架構的發(fā)展 (CPA)

集中式電源,這是最基本的電源結構,簡(jiǎn)單、成本輕。它把從前端到DC-DC轉換的功能集中在一個(gè)框架, 減少占用負載點(diǎn)的電路板空間, 避免串接作多次功率轉換,效率較佳,也相對能容易處理散熱及EMI問(wèn)題。 設計師也需要在I2R功耗與EMI兩方面平衡考慮,決定電源與負載的距離。雖然集中式電源在很多應用上運作良好,但對要求低電壓、多個(gè)負載點(diǎn)的應用,不是很適合。

分布式架構 (DPA)

自80年代,電源模塊面世后,分布式架構被廣泛采用,成為最常用的架構。(磚式的電源模塊齊備了DC-DC轉換器的三項基本功能: 隔離、變壓和穩壓,工程師可以把電源模塊置在系統電路板上,靠近負載供電。 分布式架構是由較粗糙的DC母線(xiàn)(一般為48V或300V)供電, 再由放置在系統電路板旁的DC-DC轉換器轉換成合適的電壓為負載供電。這種布局可以改善系統的動(dòng)態(tài)反應,避免整個(gè)系統在低電壓操作所產(chǎn)生的問(wèn)題。

分布式電源的成本一般較高,尤其是在負載數目多的情形下,需要占用較大的電路板空間。而且在每一個(gè)負載點(diǎn)都重復包括隔離、變壓、穩壓、EMI濾波和輸入保護等功能,模塊的成本自然增大。

中轉母線(xiàn)架構 (IBA)

中轉母線(xiàn)架構 (圖1) 彌補了分布式電源架構的缺點(diǎn)。它把DC-DC轉換器的隔離、變壓及穩壓功能分配到兩個(gè)器件。 IBC (中轉母線(xiàn)轉換器) 具變壓及隔離功能。niPoL (非隔離負載點(diǎn)轉換器) 則提供穩壓功能。 IBC把半穩壓的分布母線(xiàn)轉為不穩壓及隔離的中轉母線(xiàn)電壓(一般是12V), 供電給一連串的niPoL。 niPoL 靠近負載, 提供變壓及穩壓功能。IBA 的理念是把母線(xiàn)電壓降至一個(gè)稍稍高于負載點(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)電壓占空比與中轉母線(xiàn)的乘積。

中轉母線(xiàn)架構的問(wèn)題是令I(lǐng)BC和niPoL均能有效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)轉為1V用的方法, 各分布母線(xiàn)的寬度代表了所帶的電流。

第一個(gè)例子顯示由48V直接用niPoL轉為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)高峰值電流,輸入輸出紋波太大,瞬態(tài)反應慢,噪聲高及功率密度低等問(wèn)題。

第二個(gè)例子,以IBC轉換48V母線(xiàn)至12V中轉電壓,niPoL的占空比是8%,改進(jìn)不大。而IBC所帶的電流比第一個(gè)例子高四倍。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轉換48V至3V或2V。電壓越低,占空比越高。但中轉母線(xiàn)電流亦越大,分布損耗更多。由于母線(xiàn)電流高,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50%, 很好, 但此時(shí)IBC要跟著(zhù)niPOL的尾巴走, 彼此靠近得如同整體是一個(gè)DC-DC轉換器,說(shuō)明將DC-DC轉換器分開(kāi)兩個(gè)器件的甩的在IBA是達不到的, 重復分布式架構的困局,不能發(fā)揮IBA的優(yōu)點(diǎn)。

IBA的另一個(gè)問(wèn)題是niPOL的瞬變反應。niPOL能否快速地按負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了位置。

電感器內的電流變化率由加于電感器上的電壓決定。在低電壓應用時(shí),當負載處于大電流狀態(tài), 它的電流變化率受輸出電壓所限。當輸出電壓越低,電流變化率越小, 需要更長(cháng)的時(shí)間減低電流,即越難停止電感的慣性電流,復原的時(shí)間亦更長(cháng),需要在輸出加上大電容。

在niPOL前放置的大電容, 雖負責濾波及維持低阻抗, 但對負載旁路效果不大。 由于電感的位置不當,產(chǎn)生電流慣性,因此需要在輸出加上大電容以保持穩定。

總的來(lái)說(shuō), IBA架構內存在固有的互相抵觸的效應,它的根本原因可追索到基本的奧姆定律,只能在某些范圍內折沖使用。 但對另一些應用,以上提到的缺點(diǎn)便浮現出來(lái)了。