电源架构 分比式功率

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,新的微处理器、记忆体、DSp及ASIC都趋向要求低电压、大电流供电。面对新世代的电子器件和负载,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技术和架构。

电源架构的发展(CpA)

集中式电源,这是最基本的电源结构,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,防止串接作多次功率转换,效率较佳,也相对能容易处理散热及EMI问题。设计师也要在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,分布式架构被广泛采用,成为最常用的架构。(砖式的电源模块齐备了DC-DC转换器的三项基本功能:隔离、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,防止整个系统在低电压操作所出现的问题。

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,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隔离、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转换器的隔离、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(非隔离负载点转换器)则供应稳压功能。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,供应变压及稳压功能。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。

第一个例子显示由48V直接用nipoL转为1V,虽然电流和功耗都很少,但nipoL的占空比只有2%。占空比太低,会引发高峰值电流,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所带的电流比第一个例子高四倍。防止分布损耗,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的优点。

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,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,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,出现电流惯性,因此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。