| 電子設(shè)備或系統(tǒng)的發(fā)展對所需的電源要求持續(xù)增加,系統(tǒng)需要的電源規(guī)格不一,但發(fā)展趨勢是輸出不斷增多及分散,負(fù)載瞬變更快速,負(fù)載電壓較低而電流卻更大,以及電路板趨向密集。設(shè)計(jì)師需要小封裝、高效率、高電流密度的DC-DC轉(zhuǎn)換器,還需考慮不斷壓縮的成本。目前市場上的電源產(chǎn)品及相應(yīng)的電源結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到功能極限,很難再進(jìn)一步改良。本文介紹分比功率架構(gòu)(Factorized Power或Factorized Power Architecture),簡稱FPA及實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)架構(gòu)的V-I芯片,可以滿足未來電源系統(tǒng)的需求。
首先回顧開關(guān)電源面世后的應(yīng)用發(fā)展情況,起初的電源是集中式的(Centralized Power),即系統(tǒng)由一個(gè)獨(dú)立電源供電,其優(yōu)點(diǎn)是成本效益佳,散熱及電磁兼容問題較容易集中處理,不占系統(tǒng)上其他電路板空間,但是很難實(shí)現(xiàn)低電壓高電流,動態(tài)響應(yīng)差,要更變設(shè)計(jì)則須重新做一臺電源,即不適合做可擴(kuò)展(Scalable)設(shè)計(jì)。后來高密度“磚塊式”的DC-DC轉(zhuǎn)換器部件或模塊面世后,促成分布式功率架構(gòu)(Distributed Power Architecture)的發(fā)展,這在通訊領(lǐng)域的應(yīng)用尤為顯著,因?yàn)橥ㄓ嵲O(shè)備常由一片片電路板插接組成,需要大量的分布式電源。這種電源架構(gòu)能簡單地完成并聯(lián)、冗余設(shè)計(jì),便于擴(kuò)展,并且瞬變響應(yīng)優(yōu)越,但是成本提高了,功率的分布需要許多模塊,隔離、穩(wěn)壓在電路上互相重復(fù),EMI濾波及輸入保護(hù)也在電路多個(gè)節(jié)點(diǎn)重復(fù),占用了過多的電路板。這迫使分布式功率演化出一項(xiàng)分支稱為中轉(zhuǎn)總線架構(gòu)(Intermediate Bus Architecture),其特征是由一個(gè)隔離式“磚塊”部件或總線轉(zhuǎn)換模塊(IBC)供電給多個(gè)非隔離負(fù)載節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換器(niPOL),niPOL靠近負(fù)載發(fā)揮電壓轉(zhuǎn)變及穩(wěn)壓,很多更具備同步整流因而效率高,價(jià)格也相宜,成本相對下降。但它存在幾項(xiàng)嚴(yán)重缺點(diǎn)不易克服,如總線轉(zhuǎn)換器需靠近niPOL,仍占去不少電路板面積;niPOL不備隔離作用而使負(fù)載面對潛在高壓危險(xiǎn),不隔離在電路上布線也較困難,需注重回路環(huán)路、噪聲耦合等難題。中轉(zhuǎn)總線電壓通常為12V,對高效功率分布,12V電壓過低,傳輸或分布功率時(shí)電流大、損耗多,另一方面,對開關(guān)轉(zhuǎn)換電壓來說,12V則太高了,12V轉(zhuǎn)到1.2V的開關(guān)動作的占空比在10%左右,不利高效率的niPOL轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。上述兩方面互相矛盾,中轉(zhuǎn)電壓很可能在不同場合需要專門選定,例如12V、5V、3.3V,系統(tǒng)難以適應(yīng)將來的發(fā)展。
Vicor公司推出的分比功率架構(gòu)(Factorized Power Architecture)或FPA解決了以上的難題,大幅改進(jìn)了電源系統(tǒng)的性能、成本、可靠性,由新型的V-I芯片來實(shí)現(xiàn)。V-I芯片目前有兩種,分別為預(yù)穩(wěn)定壓模塊(PRM)及電壓轉(zhuǎn)變模塊(VTM)。要了解它們是什么,先回顧功率轉(zhuǎn)換的三個(gè)基本功能組成,即隔離、變壓、穩(wěn)壓。一個(gè)完整的DC-DC轉(zhuǎn)換器具備這三項(xiàng)功能,中轉(zhuǎn)總線轉(zhuǎn)換器(IBC)則通常只具隔離及變壓功能,而niPOL轉(zhuǎn)換器則存在變壓及穩(wěn)壓功能,IBC及niPOL合起來當(dāng)然就能實(shí)現(xiàn)全三項(xiàng)功能并且重復(fù)了變壓功能,是一種最少兩級的電壓轉(zhuǎn)變串成方式,如前文所述,中轉(zhuǎn)總線電壓不好選定。
相反,PRM只有穩(wěn)壓功能,VTM則只具變壓、隔離功能,PRM及VTM合起來就更能簡易實(shí)現(xiàn)全功能DC-DC轉(zhuǎn)換器,它們就組成了突破性的分比功率架構(gòu)-Factorized Power Architecture或FPA,圖1顯示該功率分布方式的功能組成。  該架構(gòu)的首個(gè)模塊為預(yù)穩(wěn)定壓模塊(PRM)。它把輸入直流穩(wěn)壓,輸出穩(wěn)壓的分比總線(Vf),這個(gè)非隔離PRM器件效率大達(dá)99%。由于后面有隔離功能,Vf可被提高,從而電壓的分布輸送的I2R損耗較低,因此PRM可遠(yuǎn)離負(fù)載點(diǎn),即使是放在另一片電路板也可以。
負(fù)載節(jié)點(diǎn)上轉(zhuǎn)換器為電壓轉(zhuǎn)換模塊(VTM),它把穩(wěn)壓而非隔離的PRM輸出作降壓或升壓輸出,并提供微電隔離,輸出電壓由比值K決定,VOUT=VfK。VTM效率可高達(dá)97%,具有良好的的動態(tài)響應(yīng)及噪聲特性,80%負(fù)載階躍在100A/μs情況下,VTM能在200ns內(nèi)反應(yīng),在1μs內(nèi)穩(wěn)定下來。對于一些高速的微處理器供電,設(shè)計(jì)師可改用PRM-VTM組合代替標(biāo)準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓模塊,能省去大量高成本、易損壞的負(fù)載端電容。
TM內(nèi)部為零電壓/零電流開關(guān)(ZVS/ZCS)拓?fù)?具有較低的共模、差模噪聲,一個(gè)48V至12V的VTM輸出在只帶1μF陶瓷旁路電容情況下,高頻紋波只有12mVpp(輸出的0.1%),性能遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)DC-DC轉(zhuǎn)換器。VTM的輸出阻抗極低,低電壓單元只有約1mΩ,故即使在開環(huán)模式下,VTM的負(fù)載調(diào)整率僅為±4%。PRM-VTM還可做死循環(huán)操作進(jìn)一步強(qiáng)化穩(wěn)壓率。圖1所示就是死循環(huán)的使用,PRM對應(yīng)負(fù)載變化而控制輸出Vf,Vf被上下微調(diào)以補(bǔ)嘗VTM的輸出阻抗效應(yīng)(如上所述約為±4%),VTM的任務(wù)是變壓及隔離,PRM-VTM結(jié)合實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、高效率、低噪聲及快速瞬態(tài)響應(yīng)等性能。
FPA的幾個(gè)應(yīng)用例子如圖1、2、3,前文已述,圖1為死循環(huán)應(yīng)用情形;圖2為開環(huán)的簡單應(yīng)用,負(fù)載調(diào)整率是±4%左右;圖3為單個(gè)PRM驅(qū)動多個(gè)VTM的應(yīng)用,只需將最需要嚴(yán)格穩(wěn)壓的負(fù)載電壓反饋到PRM作死循環(huán),圖中VTM對負(fù)載1輸出精確電壓,負(fù)載2及3仍能達(dá)±4%調(diào)整率。PRM-VTM還有很多其他靈活的組合應(yīng)用方式,在此不一一敷述。
VTM更可以并聯(lián),而且不需均流控制,具雙向傳輸功率能力。
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