分比式功率模块——配合未来电源发展的架构


Vicor公司应用工程师 刘广缘


近年电子及数据产业的发展及分布式供电系统的推广， DC-DC转换器的应用越来越广， 微处理器、记忆体、DSP及ASIC都趋向要求低电压、大电流供电。 面对的电子器件和负载，电源业要面对重大的挑战，产品除了能在低电压输出大电流外， 还要做到体积小、重量轻、动态反应快， 噪声小和价钱相宜。 这些需求促使业界重新审视现有产品和架构。


电源架构的发展 (CPA)


集中式电源，这是基本的电源结构，简单、成本轻。它把从前端到DC-DC转换的功能集中在一个框架， 减少占用负载点的电路板空间， 避免串接作多次功率转换，效率较好，也相对能容易处理散热及EMI问题。 设计师也需要在I2R功耗与EMI两方面平衡考虑，决定电源与负载的距离。虽然集中式电源在很多应用上运作良好，但对要求低电压、多个负载点的应用，不是很适合。


分布式架构 (DPA)


自80年代，电源模块面世后，分布式架构被采用，成为常用的架构。(砖式的电源模块齐备了DC-DC转换器的三项基本功能: 绝缘、变压和稳压，工程师可以把电源模块置在系统电路板上，靠近负载供电。分布式架构是由较粗糙的DC母线(一般为48V或300V)供电， 再由放置在系统电路板旁的DC-DC转换器转换成合适的电压为负载供电。这种布局可以改善系统的动态反应，避免整个系统在低电压操作所产生的问题。


分布式电源的成本一般较高，尤其是在负载数目多的情形下，需要占用较大的电路板空间。而且在每一个负载点都重复包括绝缘、变压、稳压、EMI滤波和输入保护等功能，模块的成本自然增大。


中转母线架构 (IBA)


中转母线架构 (图1) 弥补了分布式电源架构的缺点。它把DC-DC转换器的绝缘、变压及稳压功能分配到两个器件。 IBC (中转母线转换器) 具变压及隔离功能。niPoL (非绝缘负载点转换器) 则提供稳压功能。 IBC把半稳压的分布母线转为不稳压及隔离的中转母线电压(一般是12V)， 供电给一连串的niPoL。 niPoL 靠近负载， 提供变压及稳压功能。IBA 的理念是把母线电压降至一个稍稍高于负载点的电压，再由较便宜的降压器(niPoL)来完成余下的工作。降压器(niPoL)经由电感器传输电压到负载，这电压相等于上开关和下开关共同端电压的平均值，等如上开关电压占空比与中转母线的乘积。




中转母线架构的问题是令IBC和niPoL均能有效操作的条件是互相冲突的。 图2比较了多个把48V分布母线转为1V用的方法，各分布母线的宽度代表了所带的电流。




个例子显示由48V直接用niPoL转为1V，虽然电流和功耗都少，但niPoL的占空比只有2%。占空比太低，会引发峰值电流，输入输出纹波太大，瞬态反应慢，噪声高及功率密度低等问题。


第二个例子，以IBC转换48V母线至12V中转电压，niPoL的占空比是8%，改进不大。而IBC所带的电流比个例子高四倍。避免分布损耗，母线的截面面积需增大16倍，或缩短IBC与niPoL的距离。


余下两个例子显示利用IBC转换48V至3V或2V。电压越低，占空比越高。但中转母线电流亦越大，分布损耗更多。由于母线电流高，在这两个例子中，IBC与niPoL 要靠得很近。在2V的例子，niPOL的占空比是50%, 很好, 但此时IBC要跟着niPOL的尾巴走, 彼此靠近得如同整体是一个DC-DC转换器,说明将DC-DC转换器分开两个器件的甩的在IBA是达不到的， 重复分布式架构的困局，不能发挥IBA的特点。




IBA的另一个问题是niPOL的瞬变反应。niPOL能否快速地按负载变化加大或减少电流呢? 它的根本难处是它把电感器放错了位置。


电感器内的电流变化率由加于电感器上的电压决定。在低电压应用时，当负载处于大电流状态，它的电流变化率受输出电压所限。当输出电压越低，电流变化率越小， 需要更长的时间减低电流，即越难停止电感的惯性电流，复原的时间亦更长，需要在输出加上大电容。


在niPOL前放置的大电容， 虽负责滤波及维持低阻抗， 但对负载旁路效果不大。 由于电感的位置不当，产生电流惯性，因此需要在输出加上大电容以保持稳定。


总的来说， IBA架构内存在固有的互相抵触的效应，它的根本原因可追索到基本的奥姆定律，只能在某些范围内折冲使用。 但对另一些应用，以上提到的缺点便浮现出来了。


 

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