分比式功率——配合未來電源發展的架構

更新時間：2009-11-24

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分比式功率——配合未來電源發展的架構

Vicor公司應用工程師劉廣緣

　　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。

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