一種新電源轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)—分比式電源結(jié)構(gòu)

電源轉(zhuǎn)換技術(shù)始于20世紀80年代。當時的定制電源主要采用零電流開關(guān)準共振變換器技術(shù)，而磚式電源部件被認為是一種靈活的部件，因此誕生了模塊化電源制造業(yè)務(wù)。同樣，新出現(xiàn)的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，如開關(guān)速度為3.5 MHz的突破性DC/DC電源轉(zhuǎn)換芯片，是對磚式電源概念的進一步發(fā)展。而基于這一技術(shù)的分比式電源結(jié)構(gòu)(Factorized Power Architecture，F(xiàn)PA)則被認為提供了電源系統(tǒng)設(shè)計師所夢寐以求的優(yōu)點。
例如，設(shè)計人員需要為系統(tǒng)和應(yīng)用供電，但并不希望電源轉(zhuǎn)換功能占據(jù)太大的系統(tǒng)空間。集中式電源可有效地將不需要的電源功能放到客戶電路板之外實現(xiàn)。然而，隨著電壓不斷降低和電流不斷提高，集中式電源面臨電源傳輸方面的挑戰(zhàn)。同樣，分布式電源也同時具有優(yōu)點和缺點，它將電源放到負載點(PoL)附近，但同時也帶來了磚式電源變換的所有問題，如重量、體積和散熱等(圖1)。最近發(fā)展起來的中間總線結(jié)構(gòu)(Intermediate Bus Architecture)則采用了非隔離的負載點變換器，通過隔離和高變壓比來提高成本效率(圖2)。但這需要總線變換器靠得足夠近，才能保證在低輸入電壓時提供足夠的功率。


圖1 傳統(tǒng)磚式結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)壓、變壓和隔離功能


圖2  中間總線結(jié)構(gòu)將三種功能分開，將穩(wěn)壓功能放在負載點上


圖3  FPA將變壓和隔離功能放在負載點附近


圖 4  該FPA芯片大小為1.26英寸×0.85英寸×0.24英寸，重量為12.25g

分比式電源結(jié)構(gòu)
基于新的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的FPA克服了這些缺點，從而為電源轉(zhuǎn)換開創(chuàng)了一個新時代。FPA將轉(zhuǎn)換器的三大功能—穩(wěn)壓、變壓和隔離—分離到兩個電源構(gòu)建模塊中(圖3)。預穩(wěn)壓模塊(PRM)提供穩(wěn)壓功能，PRM在電壓轉(zhuǎn)換模塊(VTM)的上游，VTM則提供變壓和隔離功能。
通過將電源轉(zhuǎn)換器的三大功能分散到兩個模塊中，分比式電源結(jié)構(gòu)提高了電源系統(tǒng)的靈活性。這一結(jié)構(gòu)允許設(shè)計人員靈活地部署PRM和VTM模塊，如果他們想將PRM放在電路板以外，那么可以只將VTM放在負載點。事實上，由于VTM可以轉(zhuǎn)換相對高的電壓，高電壓傳輸時的I2R損失更小，因此PRM可以安裝在離負載較遠的地方，甚至安裝在另一塊板上。這樣，電源設(shè)計人員就不必進行艱難的選擇或折衷，他們可以根據(jù)應(yīng)用選擇合適的方案。
VTM提供變壓和隔離功能，根據(jù)特定VTM的K因子或變壓比，電壓可升可降。
非隔離的PRM可接收范圍相當寬的輸入電壓并生成稱為“分比總線電壓”的穩(wěn)壓輸出電壓。這種轉(zhuǎn)換的效率很高，通常在97%~99%的范圍。輸入與分比總線電壓越接近，效率越高。例如，一個輸入范圍為36V~75V的48V系統(tǒng)，當輸入電壓接近48V時，效率可接近99%。
分比式總線結(jié)構(gòu)利用隔離VTM模塊做為負載點轉(zhuǎn)換器，從而可在負載點獲得超高轉(zhuǎn)換效率，避免了傳輸損失并提高總效率。

高頻FPA芯片
高頻FPA芯片(圖4)采用軟切換零電流/零電壓開關(guān)拓撲，從而為設(shè)計人員提供一系列優(yōu)點。首先，它們體積小，重量輕，并且具有極高的功率密度。芯片可靈活地應(yīng)用于電源系統(tǒng)中，高度僅0.25英寸(6 mm)。單片PRM在48V DC情況下可提供200W功率。VTM可在較高的電壓下提供200W功率，在低電壓下提供高達100A電流。由一片PRM和一個VTM組成的FPA系統(tǒng)功率密度可達到400W/in3。
這些芯片幾乎避免了困擾硬開關(guān)工作頻率在MHz以下的磚式電源轉(zhuǎn)換器的傳導損失和輻射損失。系統(tǒng)設(shè)計人員在負載點部署隔離VTM，不必擔心開關(guān)噪聲和地線環(huán)路。
不加任何外部濾波電容器的情況下，VTM輸出紋波為1%。3.5 MHz軟開關(guān)技術(shù)可利用與電路板互連線相關(guān)的分布電感，再加上小型陶瓷旁路電容器，將負載點的輸出紋波降低到0.1%以下。通過利用軟開關(guān)技術(shù)克服頻率障礙，系統(tǒng)級電磁輻射(EMI)濾波將變得更簡單、更輕小且成本更低。
PRM可把輸入變化范圍很寬的供電電壓轉(zhuǎn)換為分比式總線電壓，這個總線電壓是受控制的電壓源。VTM把分比式總線電壓轉(zhuǎn)換為負載所需要的電壓(升壓或降壓)，轉(zhuǎn)換效率高達97%。VTM還在輸入和輸出之間提供了電氣隔離。
對于包括一個PRM和一個VTM在內(nèi)的電源系統(tǒng)，當采用非穩(wěn)壓直流輸入源且輸出直流低壓時，總效率通常在90%~95%。在許多情況下，甚至在全負載時仍可達到超過95%的總效率。
由于VTM的有效開關(guān)工作頻率是3.5MHz且其拓撲結(jié)構(gòu)針對快速響應(yīng)而設(shè)計，因此VTM可在200ns內(nèi)對負載變化(無論幅度多大)做出響應(yīng)，并在1ms內(nèi)穩(wěn)定。這一負載變化時的瞬變響應(yīng)速度比起速度最快的磚塊式轉(zhuǎn)換器還要快二十倍。甚至專門針對滿足領(lǐng)先微處理器的動態(tài)要求而設(shè)計的多相穩(wěn)壓電源模塊(VRM)也無法與針對快速電源處理的優(yōu)化VTM相比。