系统电源架构的发展

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系统电源架构的发展

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。系统电源的设计一直受到电子整机系统多功能、小型化双重需求的挑战，使系统电源架构设计经历了从早期的集中式电源架构（CPA）向分布式电源架构（DPA）的转变。同时，伴随DPA发展起来的标准封装化“砖式模块”，也为系统电源设计带来了更大的便利性和灵活性。

1.集中式电源架构(CPA)
集中式电源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，避免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。它把前端到DC/DC变换的功能集中在一个框架中，可减少占用负载点的电路板空间，避免多次功率变换，效率较佳，处理散热及EMI问题相对容易。在其设计中需要在I2×R功耗与EMI两方面进行平衡考虑，进而决定电源与负载的距离。虽然集中式电源在很多应用上运行良好，但对要求低电压、多个负载点的应用中不是很适合。集中式电源架构虽然能有效地运用电路板，但现在的负载趋向低电压、高电流，不能有效地把功率分布出去。

2.分布式电源架构(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。砖式模块电源具备DC/DC变换器的三项基本功能：隔离、变压和稳压，设计时可以把模块电源布置在系统电路板上，靠近负载供电。分布式电源架构由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变换器将母线电压变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工作时所产生的问题。
分布式电源架构直接为负载供电，同时带来重量、体积及散热等问题。分布式电源架构的成本一般较高，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隔离、变压、稳压、EMI滤波和输入保护等功能，使系统电源的成本增大。

3.中转母线架构 (IBA)
近年来，一种性价比较高的中间总线架构的DPA设计逐渐被人们接受，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。如图所示。这是一种通过一级隔离式“砖式模块”或总线变换器模块（IBC）将初始高电压变换为一个中间电压，再由位于负载附近的非隔离负载节点变换器（niPOL）对中间电压进行变换与稳压得到所需电压的电源架构。中间总线架构为了节省成本，把隔离和大比例的电压变换移到母线变换器。母线变换器必须靠近负载点变换器，以低压供电。

中间总线架构弥补了分布式电源架构的缺点，把DC/DC变换器的隔离、变压及稳压功能分配到两个器件。IBC（中间总线变换器）具有变压、隔离功能。niPoL（非隔离负载点变换器）则提供稳压功能。IBC把半稳压的分布总线转为不稳压及隔离的中间总线电压（一般为12V），供电给一连串的niPoL。niPoL靠近负载，提供变压和稳压功能。IBA的理念是把母线电压降至一个稍高于负载点的电压，再由niPoL来完成余下的工作。IBA被认为是对传统分布式电源架构（DPA）的进一步发展，有利于进一步提供高性能的电源解决方案，提高系统设计的灵活性。

尽管IBA对于低电压应用仍然是有效及成本低的解决方案，但由于IBA有其固有的局限，在结构上互相冲突，因此需要妥协折冲传输损耗与变换损耗，并牺牲瞬变反应。
中间总线架构的问题是令IBC和niPoL均能有效工作的条件是互相冲突的。图比较了多个把48V分布总线变换为1V的方法，各分布总线的宽度代表所带的电流。
图中的第一个实例显示由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。
图中的第二个实例以IBC变换48V总线至12V中转电压，niPoL的占空比为8%，改进不大。而IBC所带的电流比第一个实例子高4倍，避免分布损耗，总线的横截面积需增大16倍或缩短IBC与niPoL的距离。

图　48V分布总线转换为1V的方法

图中的余下两个实例显示利用IBC变换48～3V或2V、电压越低，占空比越高，但中间总线电流亦越大，分布损耗更多。由于总线电流高，因此在这两个实例中，IBC与niPoL要靠得很近。在2V的实例中，niPOL的占空比是50%，此时IBC与niPOL彼此靠近，如同一个整体DC/DC变换器，重复分布式电源架构的困局，不能发挥IBA的优点。
IBA的另一个问题是niPOL的瞬变反应，即niPOL能否快速按负载的变化加大或减少电流，因电感器内的电流变化率由加在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，电感器的电流变化率受输出电压限制，输出电压越低，电流变化率越小，需要更长的时间减低电流，即电感的惯性电流越难停止，电感器的电流复原时间亦更长，需要在niPOL输出端设置大电容。
从原理上讲，DC/DC变换都需要经过变压、隔离、稳压三个环节。IBA的思路是由IBC来完成隔离与变压的工作，提供一个半稳定的DC中间总线，而稳压及后续的变压工作由niPOL来完成。这种方案中的niPOL可能会使负载面临高压冲击的危险，也可能造成接地环路及躁声耦合的问题，同时在中间电压的选择上也需要很多技巧。

4. 分比式功率架构(FPATM)
分比式功率架构把DC-DC转换器的功能重新编排; 并以晶片封装的元件来实现。如图5-3（a）所示。FPA架构在大思路上与IBA相似，都要经由一级中间电压将初始电压处理为所需电压，但在处理手段上却有很多创新，进而解决了许多IBA难以克服的困难。FPA经由PRM提供一个受控的稳态中间电压;IBA中的IBC是输出一个半稳定的中间电压。
非隔离PRM可接受宽广的输入电压并把它变换为一个稳压的分比母线电压，PRM的工作效率很高，一般在97%～99%范围内（典型值）。输入电压越接近分比电压，效率便越高。以一个48V系统为例，36～75V输入范围，输出在48V左右，效率可达到99%。
VTM提供变压和隔离功能（由VTM的变换比率来升高或降低电压）。分比功率架构利用VTM作为负载点变换器，可提高变换效率，减少分布功耗。
高频率分比架构芯片使用软开关零电流/零电压开关技术，具有芯片体积小、重量轻、功率密度非常高的特点，距离基板小于6mm，可灵活配置在系统电源内。单一PRM在48V输出时，最高功率可达200W，VTM在高压应用时最高功率可达到200W，由一个PRM及一个VTM组成的分比功率架构，功率密度可达400W/in3。

相比开关频率在MHz范围内硬开关模块，这些芯片把传导和辐射噪声降至非常低的水平，在系统设计中可容易地把隔离的VTM设置在负载点，不需担心开关噪声和接地回路。
VTM无需增加滤波电容器，输出纹波便小于1%。VTM采用软开关技术，工作频率达3.5MHz，可减低分布电感，加上优良的连接，只需外加小的旁路电容，输出纹波即可以降至负载电压的0.1%。
分比电源架构（FPA）使电源变换技术进入新时代，把三项基本变换功能——稳压、变压和隔离分别置于两个电源模块。预稳压模块（PRM）提供稳压，被设置在电压转变模块（VTM）上端;电压转变模块（VTM）具有变压和隔离功能。
分比电源架构可灵活部署，在需要时可以把PRM和VTM结合使用，同样可以把PRM从电路板上移走，只把VTM设在负载点。事实上，因为VTM可以变换相对较高的电压，电压可以最低功耗I2×R来分布，而PRM可远离负载或甚至放在另一块电路板上，所以可轻易按应用选择合适的设置。
为配合全新FPA的提出，怀格公司推出采用特殊工艺制造的、被称为VI的系列PRM、VTM模块，它们都具备工作效率高、散热设计灵活、体积小等特点;与安装高度为12.7mm的传统1/4砖模块相比，VI的高度仅为4mm，占用电路板的面积仅为6.5cm2（1/4砖模块为21.3cm2）;同时，VI能够承载的功率密度达到500W/in3。
PRM是一个非常高效率的非隔离式稳压器，可以接受宽范围的输入电压，并能够通过升压或降压技术提供稳定但可调的输出电压或“分比式总线”电压。PRM可以单独用作非隔离式稳压器，也可以与VTM一起实现完整的、具有较高效率和高功率密度的隔离式DC/DC解决方案。VTM可以提供负载点、固定比例的电压变换功能，具有特别快速的瞬态响应和2250VDC的隔离度。
分比式电源架构把DC/DC变换器的功能重新编排，并以芯片封装组件实现。分比式电源架构模块产品包括预稳压模块（PRM）、电压转变模块（VTM）及中间总线变换模块（BCM）。PRM只有稳压功能，VTM具有变压和隔离功能，PRM和VTM组合起来就能实现DC/DC变换器功能。PRM可接受宽广的输入电压并变换为一个稳压的分比总线电压传送到VTM。VTM作为负载点变换器，把分比总线电压升高或降低，提供隔离电压给负载。负载变化由反馈电路传到PRM，由PRM调控分比电压实现稳压。
分比电源架构系统由PRM和VTM组成，功率密度达350W/in3。由于VTM可变换较高电压的分比总线而减少了I2×R损耗，因此PRM也可安装在离负载较远甚至安装在别的电路板上，并且在负载点上（POL）只需安装VTM便可使负载点的功率密度超过875W/in3。分比式电源架构将系统电源的优势发挥得淋漓尽致，把系统的灵活性、功率密度、变换效率、瞬变反应、噪声表现及可靠性等性能提升到最高的层面。
分比式电源架构由VI芯片实现，VI芯片引脚有J引脚款式，适合板上表贴安装，可传送100A电流到负载点，是非常灵活、高效的组件，可以用在集中式、分布式和中间总线架构，可缩小系统空间，改善瞬变、散热噪声等问题。FPA和VI芯片将是未来电源架构及组件的典范。
与分布式电源架构或中间总线架构不一样，在分比电源架构中，稳压功能由PRM提供，可远离负载。VTM作为负载点的变换器，不需要提供稳压功能，可以无须靠近负载，只负责按K比值“倍大电流”或“降低电压”（UOUT=Uf），由于VTM负责在负载点变压，因此K比值最高可达到200，分比总线电压无须受负载电压限制，可设定在任何一点上，甚至可把分比总线电压设定为与电源电压相同，如图5-3（b）所示。负载电压为1V，分比总线电压可设定为48V，完全不受负载电压或PRM与VTM的距离影响，不需在输送损耗与变换损耗中折中取舍。重点是FPA把变压部分放在负载点，克服了IBA面对的难题，占空比可达100%。FPA的瞬变反应较IBA理想。
如前述，IBA把电感器放在中间总线与负载之间可产生电流惯性，在FPA分比总线与负载之间没有电感器，如图5-4所示。由于VTM不受电感惯性左右，因此可快速反应负载变化。在分比总线上的电容由于没有电感器的阻隔，则可对负载有效旁路。该电容相等于在负载加上1/K2倍的电容值，无须在负载点再加上大电容。图5-5很清楚地表示在FPA只需采用4μF的电容便可以取代IBA中的10000μF电容。
FPA的控制架构
FPA将稳压功能交由一个预稳压模块（PRM）完成，可得到一个受控的分比式总线电压;变压与隔离工作则由电压变换模块（VTM）来完成，最终可得到负载点所需的电压。这种设计实现了稳压、高效率、低噪声及快速瞬态响应，同时也规避了IBA在中间电压选择上的困难。
FPA的出现将极大地改变目前系统电源设计的理念，并将在DPA市场赢得越来越多的市场份额。由于问世时间不常，因此目前FPA还没有得到广泛的认同，同时相应的标准也未形成，所有这些都是在FPA未来市场推广中需要解决的问题。

分比式功率架构，未来的电源架构

尽管IBA对于低电压应用，它仍然是有效及成本低的方案，但由于IBA有其固有的局限，在结构上互相冲突，它需要妥协折冲传输损耗与转换损耗，及牺牲瞬变反应。

反观FPA及VI晶片，没有了这些局限。VI晶片是非常灵活、高效的元件，它可以用在集中式、分布式和中转母线架构，工程师可即时提升系统的表现，大大缩小系统空间，改善瞬变、散热噪声等的问题。FPA及VI晶片，将是未来电源架构及元件的典范。

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| 发布时间：2019.07.17 来源：电源适配器厂家

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