分比式功率配合未来电源发展的架构Vicor公司高级应用工程师刘广缘 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，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Z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。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，分布式架构被广泛采用，成为Z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，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。 diyi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diyi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，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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2004-11-04
