未來電源發展的架構--分比式功率

近年電子及數據產業的發展及分布式供電系統的推廣， DC-DC轉換器的應用越來越廣， 新的微處理器、記憶體、DSP及ASIC都趨向要求低電壓、大電流供電。 面對新世代的電子器件和負載，電源業要面對重大的挑戰， 產品除了能在低電壓輸出大電流外， 還要做到體積小、重量輕、動態反應快， 噪聲小和價錢相宜。 這些需求促使業界重新審視現有和架構。

　　電源架構的發展 （CPA）

　　集中式電源，這是zui基本的電源結構，簡單、成本輕。它把從前端到DC-DC轉換的功能集中在個框架， 減少占用負載點的電路板空間， 避免串接作多次功率轉換，效率較佳，也相對能處理散熱及EMI問題。 設計師也需要在I2R功耗與EMI兩方面平衡考慮，決定電源與負載的距離。雖然集中式電源在很多應用上運作良好，但對要求低電壓、多個負載點的應用，不是很適合。

　　分布式架構 （DPA）

　　自80年代，電源模塊面世后，分布式架構被采用，成為zui常用的架構。（磚式的電源模塊齊備了DC-DC轉換器的三項基本功能: 、變壓和穩壓，工程師可以把電源模塊置在系統電路板上，靠近負載供電。 分布式架構是由較粗糙的DC母線（般為48V或300V）供電， 再由放置在系統電路板旁的DC-DC轉換器轉換成合適的電壓為負載供電。這種布局可以改善系統的動態反應，避免整個系統在低電壓操作所產生的問題。

　　分布式電源的成本般較，尤其是在負載數目多的情形下，需要占用較大的電路板空間。而且在每個負載點都重復包括、變壓、穩壓、EMI濾波和輸入保護等功能，模塊的成本自然增大。

　　中轉母線架構 （IBA）

　　中轉母線架構 （圖1） 彌補了分布式電源架構的缺點。它把DC-DC轉換器的、變壓及穩壓功能分配到兩個器件。 IBC （中轉母線轉換器） 具變壓及功能。niPoL （非負載點轉換器） 則提供穩壓功能。 IBC把半穩壓的分布母線轉為不穩壓及的中轉母線電壓（般是12V）， 供電給連串的niPoL。 niPoL 靠近負載， 提供變壓及穩壓功能。IBA 的理念是把母線電壓降至個稍稍于負載點的電壓， 再由較便宜的降壓器（niPoL）來完成余下的工作。降壓器（niPoL）經由電感器傳輸電壓到負載，這電壓相等于上開關和下開關共同端電壓的平均值，等如上開關電壓占空比與中轉母線的乘積。

　　中轉母線架構的問題是令IBC和niPoL均能操作的條件是互相沖突的。 圖2比較了多個把48V分布母線轉為1V用的方法， 各分布母線的寬度了所帶的電流。

　　*個例子顯示由48V直接用niPoL轉為1V，雖然電流和功耗都很少，但niPoL的占空比只有2%。占空比太低，會引發峰值電流，輸入輸出紋波太大，瞬態反應慢，噪聲及功率密度低等問題。

　　第二個例子，以IBC轉換48V母線至12V中轉電壓，niPoL的占空比是8%，改進不大。而IBC所帶的電流比*個例子四倍。避免分布損耗，母線的截面面積需增大16倍，或縮短IBC與niPoL的距離。

　　余下兩個例子顯示利用IBC轉換48V至3V或2V。電壓越低，占空比越。但中轉母線電流亦越大，分布損耗多。由于母線電流，在這兩個例子中，IBC與niPoL 要靠得很近。在2V的例子，niPOL的占空比是5, 很好, 但此時IBC要跟著niPOL的尾巴走, 彼此靠近得如同整體是個DC-DC轉換器,說明將DC-DC轉換器分開兩個器件的甩的在IBA是達不到的， 重復分布式架構的困局，不能發揮IBA的優點。

　　IBA的另個問題是niPOL的瞬變反應。niPOL能否地按負載變化加大或減少電流呢? 它的根本難處是它把電感器放錯了位置。

　　電感器內的電流變化率由加于電感器上的電壓決定。在低電壓應用時，當負載處于大電流狀態， 它的電流變化率受輸出電壓所限。當輸出電壓越低，電流變化率越小， 需要長的時間減低電流，即越難停止電感的慣電流，復原的時間亦長，需要在輸出加上大電容。

　　在niPOL前放置的大電容， 雖負責濾波及維持低阻抗， 但對負載旁路效果不大。 由于電感的位置不當，產生電流慣，因此需要在輸出加上大電容以保持穩定。

　　總的來說， IBA架構內存在固有的互相抵觸的效應，它的根本原因可追索到基本的奧姆定律，只能在某些范圍內折沖使用。 但對另些應用，以上提到的缺點便浮現出來了。

分比式功率架構 （FPATM）

　　分比式功率架構把DC-DC轉換器的功能重新編排; 并以晶片封裝的元件來實現。 它的主要元件是預穩壓模塊（PRM）和電壓轉變模塊（VTM）。PRM只有穩壓功能， VTM具變壓和功能，PRM和VTM合起來，就能實現DC-DC轉換器的功能。 PRM可接受寬廣的輸入電壓及把它轉換為個穩壓的分比母線（Vf）傳送到VTM。 VTM作為負載點轉換器，把分比母線升壓或 降壓，提供電壓給負載。負載變化由反饋電路傳到PRM，由PRM 調控分比電壓，實現穩壓。

　　跟分布式架構或中轉母線架構不樣， 在分比式架構， 穩壓功能由PRM提供, 可遠離負載。VTM作為負載點的轉換器， 它不需要提供穩壓的功能， 可以無須靠近負載。 它只負責按K比值 “倍大電流” 或 “降低電壓” （VOUT = Vf K），VTM可在整個轉換周期傳送電流，它的占空比是百份百。FPA以分比母線傳輸功率，可以較隨意的選擇電壓，無須如前所述的IBA架構，因固有的沖突，中轉電壓只能選定在稍于負載的電壓，否則它的占空比將無法管理。

　　由于VTM負責在負載點變壓，它的K比值zui可達到200，分比母線因此無須受負載電壓，可設定在點上，甚至可把分比母線設定跟電源電壓相同。如圖5， 負載電壓是1V，分比母線可設定為48V，不受負載電壓或PRM與VTM的距離影響，不需在輸送損耗與轉換損耗中折沖取舍。重點是FPA把變壓的部份放在負載點，克服了IBA面對的難題，占空比可達。FPA的瞬變反應較IBA理想。如前述，IBA把電感器放在中轉母線與負載之間，產生電流慣。在FPA分比母線與負載之間沒有電感器（圖6），由于VTM不受電感慣左右，可的反應負載變化。在分比母線的電容由于沒有電感的阻隔，可對負載旁路，該電容相等于在負載加上1/K2倍電容值，這便無須在負載點加上大電容。圖7清楚表示在FPA只需用上4uF的電容便可以取代IBA中的10000uF電容。

 FPA的架構

　　PRM內的系統和輔助ASICs令PRM可以用不同的方法來VTM的輸出電壓。

　　本地閉環（圖8）是zui簡單的方法。PRM感應它自己的輸出電壓，再調整及維持分比母線電壓在個常數。負載電壓按VTM的輸出阻抗的比例升降 （Vf K-IoutRout）。 個PRM可同時連接多個VTM。

　　自適應閉環（圖9）。由VTM把訊號傳送給PRM，讓PRM調整分比母線。以補償VTM的輸出阻抗。自適應閉環只需要在VTM與PRM之間接上簡單、非的反饋電路，它的穩壓便可達+/-1%。

　　遙感閉環（圖10）把負載電壓反饋到PRM。這方法的穩壓zui可達+/-0.2%，但可能需要反饋環路。PRM可連接多只VTM，其中個VTM提供反饋訊號。

　　分比式功率架構，未來的電源架構

　　盡管IBA對于低電壓應用，它仍然是及成本低的方案，但由于IBA有其固有的局限，在結構上互相沖突，它需要妥協折沖傳輸損耗與轉換損耗，及犧牲瞬變反應。

　　反觀FPA及VI晶片，沒有了這些局限。VI晶片是靈活、的元件，它可以用在集中式、分布式和中轉母線架構，工程師可即時提升系統的表現，大大縮小系統空間，改善瞬變、散熱噪聲等的問題。FPA及VI晶片，將是未來電源架構及元件的*。