電源分配結構的三大轉變?yōu)殡娫垂芾砑夹g(shù)開(kāi)創(chuàng )新局面

隨著(zhù)信息系統結構的急劇發(fā)展，電源分配結構也出現翻天覆地的改變，本文主要討論電源分配結構三方面的轉變，包括：中間總線(xiàn)結構、數字控制技術(shù)以及采用負載點(diǎn)電源管理技術(shù)的新趨勢。

由于系統設計工程師不斷提高轉換器的性能及功率密度，因此傳統功率轉換技術(shù)漸漸被中間總線(xiàn)結構(IBA)這類(lèi)全新的電源分配結構所取代。中間總線(xiàn)結構是最新推出的結構，可以控制復合式電源系統內多條不同的低電壓供電干線(xiàn)。這類(lèi)復合式電源系統一般都會(huì )采用ASIC、數字信號處理器(DSP)及現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)，是電信系統、汽車(chē)電子系統及工業(yè)應用系統普遍采用的電源供應系統。

圖1：傳統式電源分配結構采用已隔離的多輸出模塊式直流/直流轉換器，而且每張插卡分別設有自己的轉換器，但仍然無(wú)法滿(mǎn)足日益增多的要求。

IBA結構采用隔離的總線(xiàn)轉換器，由高壓電源分配干線(xiàn)提供供電，并通過(guò)典型電壓介于8伏至14伏之間的“中間”低壓配電總線(xiàn)為負載點(diǎn)的多個(gè)非隔離穩壓器提供饋電。由于IBA結構采用兩級的功率轉換，因此總線(xiàn)轉換器及負載點(diǎn)穩壓器必須更有效率，而且體積必須更為小巧，確保能夠安裝在面積較小的電路板上，只有這樣IBA結構才可充分發(fā)揮其優(yōu)勢，成為遠比一級電源分配系統優(yōu)勝的另一選擇。

本文主要討論電源分配結構三方面的轉變：例如中間總線(xiàn)結構的面世；數字控制技術(shù)的出現；以及采用負載點(diǎn)電源管理技術(shù)的新趨勢。以上的每一個(gè)轉變都可視為電源分配技術(shù)的一個(gè)新突破，讓系統的使用壽命和性能可以提高至前所未有的水平。

中間總線(xiàn)結構

從系統設計的角度看，電源管理技術(shù)大約在五年前便進(jìn)入一個(gè)轉折點(diǎn)。對于臺式的電信及數據通信設備來(lái)說(shuō)，利用風(fēng)扇散熱的散熱方式已到了成效無(wú)法進(jìn)一步突破的極限。

這些年來(lái)通信設備的帶寬不斷提高，信息內容也越來(lái)越多樣化，但仍然無(wú)法滿(mǎn)足廣大用戶(hù)的要求。用戶(hù)的要求越高，通信設備便要加設更多數字信號處理器、現場(chǎng)可編程門(mén)陣列以及數字特殊應用集成電路，以致負載數目越來(lái)越多，加上負載本身也越趨復雜，令傳統的電源分配結構無(wú)法滿(mǎn)足新功能的供電要求。圖1所示的傳統式電源分配結構采用已隔離的多輸出模塊式直流/直流轉換器(磚塊)，而且每張插卡分別設有自己的轉換器。這個(gè)結構的每一負載電流都相當高，令每一轉換器磚塊與每一負載點(diǎn)之間的個(gè)人電腦電路板線(xiàn)跡出現IR壓降，導致電壓極不穩定。

解決辦法是將隔離屏障、降壓及負載點(diǎn)穩壓分為兩個(gè)不同的轉換級，以取代多輸出轉換器磚塊。這個(gè)結構上的改變(參看圖2)也有其本身的問(wèn)題要解決；例如，每一轉換級必須占用不超過(guò)原有解決方案體積的一半空間，而且整體來(lái)說(shuō)串行組合也必須能夠發(fā)揮更高的效率。

這個(gè)結構一般采用成本較低而穩壓效果較差的初級轉換級執行絕緣及降壓功能，而負載點(diǎn)附近則另有效率較高的高精度次級轉換級。這個(gè)初級轉換級稱(chēng)為中間總線(xiàn)轉換器(IBC)。一般來(lái)說(shuō)，中間總線(xiàn)轉換器會(huì )為變壓器設定“伏×秒”這個(gè)恒定乘積，以穩定線(xiàn)路電壓，但負載點(diǎn)穩壓的效果一般都差強人意，電壓波幅一般約為±10%。

整個(gè)穩壓過(guò)程通常就在初級線(xiàn)圈內完成，初級線(xiàn)圈更負責監控由初級線(xiàn)圈按照匝數比反射至輔助線(xiàn)圈的輸出電壓。系統啟動(dòng)后，輔助線(xiàn)圈也會(huì )為初級線(xiàn)圈控制電路、驅動(dòng)電路及穩壓電路提供供電。相比之下，設于負載點(diǎn)的穩壓器可以為負載提供極穩定的穩壓效果，電壓波幅一般不會(huì )超過(guò)±1%，而且不用隔離。電信系統的初級線(xiàn)圈電源分配總線(xiàn)都在-36至-72伏的電壓范圍內操作，而數據通信設備的總線(xiàn)則在+43至53伏的電壓范圍內操作。中間總線(xiàn)的操作電壓通常介于8至14伏之間。

電源分配結構出現這樣重大的改變之后，集成電路、穩壓器及模塊式直流/直流轉換器也受其影響而飛速發(fā)展。最近業(yè)界更積極討論為負載點(diǎn)穩壓器制定一個(gè)業(yè)內標準。

目前業(yè)界已成立了三個(gè)聯(lián)盟組織(電源分配開(kāi)放式標準聯(lián)盟(DOSA)、負載點(diǎn)聯(lián)盟(POLA)以及電源制造商商會(huì )(PSMA)的板上貼裝電源(BMPS)計劃，努力為封裝及接口制定通用的業(yè)界標準。這個(gè)發(fā)展也導致供應鏈出現微妙的變化，部分供應商開(kāi)始推出與以往不同的產(chǎn)品。例如，半導體制造商開(kāi)始生產(chǎn)模塊式功率轉換器，而電源供應器制造商開(kāi)始自行設計硅片并在這個(gè)基礎上推出采用CSP封裝的穩壓器。

圖2：中間總線(xiàn)結構每一轉換級的體積必須不可超過(guò)原有解決方案體積的一半。

數字系統的供電

數字控制系統在成本、設計靈活性及可靠性等方面都有很大的優(yōu)勢，這是采用數字控制技術(shù)的三個(gè)主要原因。由于工藝技術(shù)越趨精密，芯片體積也越趨細小，因此數字集成電路可以采用更小巧的無(wú)封裝裸片，令數字芯片的功耗比模擬芯片少。

此外，數字控制系統還有更強的噪音抑制能力，以及能充分利用先進(jìn)的自適應快速控制功能，讓設計電源供應系統的工程師可以采用電源因數調節技術(shù)及諧振轉換布局。由于這兩種新技術(shù)較為復雜，因此模擬控制系統一直無(wú)法充分加以利用。但舍棄模擬控制改用數字控制是一個(gè)風(fēng)險頗大的轉變。

部分保守的電源供應系統設計工程師多年來(lái)一直采用模擬控制系統，甚至因為慣用模擬系統而變得因循守舊。對于他們來(lái)說(shuō)，數字控制是一個(gè)全新的概念，也是一種全新的工具。例如，提前/滯后補償要改為比例積分導數(PID)控制。取樣理論及時(shí)域分析成為常用的工具，而客戶(hù)也預期復雜的圖像用戶(hù)接口能輸入控制系數以及模擬供電系統的性能。

一直以來(lái)，數字控制技術(shù)主要用于一些特殊的應用系統，例如部分應用的負載系統時(shí)間常數相當長(cháng)，有足夠的時(shí)間容許即時(shí)計算脈沖寬度及參考對照表，所以一直以來(lái)數字控制技術(shù)主要用于這類(lèi)系統。設有電源因素調節功能的充電系統，例如電話(huà)交換機的整流器，便是一個(gè)好例子。

醫療設備是另一充分利用數字控制技術(shù)的領(lǐng)域。美國食物及醫藥管理局(FDA)對病人可以承受的高能輻射量有非常嚴格的規定。數字控制系統具有可重復運作及自動(dòng)校正等優(yōu)點(diǎn)，因此是醫療設備的首選控制方案。

供電系統是否容易讓人管理

由于電源分配結構的負載數目不斷增加，而且負載本身也越趨復雜，因此系統設計工程師必須解決負載電源的管理問(wèn)題。像現場(chǎng)可編程門(mén)陣列及數字信號處理器等復雜負載尤其需要電源供應系統為其核心及輸入/輸出分別提供不同的供電。

根據摩爾定律的預測，核心處理器將會(huì )越趨小巧精密，而且通常以1伏或更低的電壓操作，但輸入/輸出則受制于通信接口標準，只能以傳統的電壓(例如3.3或5.0伏)操作。由于這些子電路通常都被集成電路內置的反向偏壓靜電釋放二極管所分隔，集成電路的供電必須按照特定的次序提供及終止，而且系統必須跟蹤供電情況，以免電路出現鎖定及損毀。

此外，復雜的負載在進(jìn)行自動(dòng)測試時(shí)經(jīng)常需要加以“邊際電壓調節”，甚至要向高能源效益系統提供有關(guān)負載狀況及其最新功耗量的資料。“操作期間控制”功能便是這樣的一種技術(shù)。每當核心獲得電源供應時(shí)，供電電壓會(huì )順便跟蹤其時(shí)脈，以便為核心提供足夠的供電，確保核心可以完成正在進(jìn)行的工作。電源管理能力就是可靈活配置電源供應系統的一種能力，以便系統可以充分利用感測數字如溫度、氣流或信號完整性，以及自動(dòng)為傳感器這些感測數字提供補償。

如果分立式電源管理系統占用越來(lái)越多電路板空間，以致占用面積幾乎接近輸電系統的面積，我們便必須采用集成式供電系統管理技術(shù)。電路板的空間非常寶貴，用于管理供電系統的空間增加，也就表示用于支持信息內容及帶寬的空間會(huì )受到壓縮，因此我們也就不得不采用更高度集成的電源管理系統，以致最后不得不采用一個(gè)可支持診斷、內置測試及供電系統配置等功能的通用標準。另一個(gè)使我們必須采用集成式電源管理系統的原因是只有這樣系統才可進(jìn)行高功率操作，保持高度的穩定性及確保不會(huì )出現故障。

總而言之，電源管理技術(shù)不僅有用，且日漸受到重視。系統到頭來(lái)能否真正發(fā)揮卓越的性能，很多情況下取決于所采用的電源管理技術(shù)，因此懂得電源管理技術(shù)真正價(jià)值所在的半導體廠(chǎng)商都在構思電源管理結構的最初階段便征詢(xún)客戶(hù)的意見(jiàn)，了解其要求，不會(huì )在開(kāi)發(fā)周期的最后階段才與其客戶(hù)磋商，因為到了這個(gè)階段，可以改善的空間已不多。電源分配結構技術(shù)的最新發(fā)展充分顯示廠(chǎng)商與客戶(hù)的密切關(guān)系，換言之，雙方越早合作，新技術(shù)便越能滿(mǎn)足客戶(hù)目前及長(cháng)遠的要求。