DC/DC模塊電源發(fā)展動(dòng)態(tài)

2004年6月A版

摘   要：  本文綜述了當前DC/DC模塊電源的發(fā)展動(dòng)態(tài)，介紹中間總線(xiàn)結構IBA、DC/DC模塊電源標準以及它們對DC/DC模塊電源產(chǎn)品發(fā)展的影響。

前言

　　為適應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)認證和發(fā)達國家有關(guān)政策的推動(dòng)下，人們對電源變換器的效率要求日益提高。隨著(zhù)CPU等超大規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(lèi)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(mǎn)足高功率密度、低壓大電流、高動(dòng)態(tài)性能、輸出電壓種類(lèi)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)格競爭部分轉移到了開(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。

　　2001年北美和歐洲對DC/DC模塊(包括隔離或非隔離)的產(chǎn)值達29億美元，預計到2006年增長(cháng)至36億美元。DC/DC模塊主要有4類(lèi)用戶(hù)：電腦和辦公自動(dòng)化、通信、工業(yè)和儀表(醫療)、軍事與航天，其中通信貢獻最大，達47%(2001年)。在美國經(jīng)濟泡沫破裂前的1999年， DC/DC電源增長(cháng)率達到10.5%。預計2004年DC/DC電源增長(cháng)率為5.7%。除全球經(jīng)濟的增長(cháng)率下降因素外，影響DC/DC電源增長(cháng)的主要原因是DC/DC電源的價(jià)格迅速下降。美國Darnell Group咨詢(xún)公司認為影響DC/DC電源增長(cháng)率變慢的原因主要有：中間總線(xiàn)結構(IBA)的廣泛采用、大量采用廉價(jià)的非隔離負荷點(diǎn)變換器(POL)、模塊電源廠(chǎng)家的激烈競爭。

　　DC/DC模塊電源的種類(lèi)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、負荷點(diǎn)電源(POL) 、電壓調整模塊(VRM)。電壓調整模塊(VRM)是一個(gè)專(zhuān)門(mén)給CPU供電的電源模塊，目前主要采用多相BUCK電路結構，因此可以與負荷點(diǎn)電源(POL)歸為同一類(lèi)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)成為磚塊電源的標準。2002年出現了1/8磚塊電源。圖 2為磚塊電源的外形。

　　據美國電源制造者協(xié)會(huì )(PSMA)預測，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撲。Celestica預測開(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，5~12V可調方向發(fā)展。

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

負荷點(diǎn)電源(POL)

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

　　負荷點(diǎn)電源的主流拓撲為同步整流BUCK電路或多相同步整流BUCK電路，它采用非隔離結構。今后，級聯(lián)式變換器將在超低電壓輸出應用場(chǎng)合得到應用，諧振變換器、帶耦合電感的BUCK電路可能也有應用的機會(huì )。據PSMA預測，2008年數字化控制將成為主流。集成化將取得進(jìn)展。預計到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%仍繼續采用傳統的分離元件技術(shù)。

供電結構對DC/DC模塊發(fā)展的影響

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

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

　　圖 4(b)為中間總線(xiàn)結構。中間總線(xiàn)結構有兩級構成，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(xiàn)，如圖中的12V電壓總線(xiàn)，將電能送至負荷旁，然后通過(guò)第二級非隔離DC/DC模塊(負荷點(diǎn)電源(POL)+VRM)給負荷供電。實(shí)際上，中間總線(xiàn)結構是分布式結構與集中式結構的折中方案。中間總線(xiàn)結構電源成本較低，具有較好的競爭力。隨著(zhù)IC供電電壓的下降和所需電流的增加，具有在緊貼負荷放置DC/DC變換器的要求，推動(dòng)了IBA的應用，非隔離負荷點(diǎn)電源(POL)得到迅速發(fā)展。

　　IBA結構改變了DC/DC模塊電源發(fā)展趨勢，非隔離DC/DC模塊增長(cháng)速度已經(jīng)超過(guò)了隔離DC/DC模塊。非隔離DC/DC模塊增長(cháng)主要來(lái)自集線(xiàn)器、路由器等的增長(cháng)。表 2列出了不同類(lèi)型DC/DC電壓產(chǎn)品的發(fā)展預測，可見(jiàn)集中式電源將呈下降的趨勢，而負荷點(diǎn)電源(POL)和VRM的增長(cháng)將從5%達到40%。

電源模塊標準

　　2003年Texas Instruments 、Artesyn Technologies 和 Astec Power三家公司成立了負荷點(diǎn)電源模塊的聯(lián)盟 (POLA)，旨在實(shí)現負荷點(diǎn)電源模塊互換性，制定了負荷點(diǎn)電源模塊的標準，包括功能、引腳、外形的標準。外形如圖 5 所示。POLA指定的第一個(gè)產(chǎn)品系列的標準如表3所示，根據輸出電流的大小可分成5個(gè)類(lèi)型，每個(gè)類(lèi)型又包含三種輸入電壓等級：3.3V, 5V和12V。為保證互換性，均采用PWM控制。POLA標準將有力推動(dòng)IBA結構的更加廣泛的應用。

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

結語(yǔ)

　　中間總線(xiàn)結構(IBA)和負荷點(diǎn)電源模塊標準(POLA)將加速負荷點(diǎn)電源模塊 (POL)的技術(shù)和規模的迅速增長(cháng)，模塊電源將更多的采用集成化技術(shù)和數字化控制技術(shù)?！?/P>

 
參考文獻：

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.