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什么是Factorized Power Architecture——突破傳統(tǒng)的分布式電源結(jié)構(gòu)

作者: 時間:2007-01-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
  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,但大致發(fā)展趨勢是輸出不斷增多及分散,負載瞬變更快速,負載電壓較低而電流卻極大,以及電路板趨向密集。設(shè)計師不得不去尋找一些細小封裝、高效率、高電流密度的DC-DC轉(zhuǎn)換器,還需顧慮不斷壓縮的成本。目前市場上的功率產(chǎn)品及相應(yīng)的功率結(jié)構(gòu)已被應(yīng)用盡至,達到它們所能發(fā)揮的功能極限,很難再進一步改良。本文要介紹的是一項創(chuàng)新的電源功率構(gòu)筑——分比功率架構(gòu)(Factorized Power 或 Factorized Power Architecture),簡稱FPA及實現(xiàn)這項架構(gòu)的嶄新功率組件——V·I芯片(VICs)。

  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)全由一個獨立電源供電,它的優(yōu)點是成本效益佳,散熱及電磁兼容可容易集中處理,及它不占系統(tǒng)上其它電路板空間;但是很難傳輸或分布低電壓高電流,動態(tài)響應(yīng)劣,要更變設(shè)計則須重新做一臺電源,即不適合作“規(guī)??勺?rdquo;(Scalable)設(shè)計。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。通訊設(shè)備常由一片一片電路板插咭組成,不難想象,需要分布式功率。這種電源架構(gòu)能簡單地作并聯(lián)、冗余設(shè)計,完全可以更變規(guī)模,并且瞬變響應(yīng)優(yōu)越;但是成本提高了,功率的分布應(yīng)用一連串的模塊,隔離、穩(wěn)壓在電路上重復(fù)又重復(fù),EMI濾波及輸入保護也在電路多個節(jié)點重復(fù),電路板被占用了不少的“電源空間”,這迫使分布式功率演化出一項分支稱為中轉(zhuǎn)總線架構(gòu) (Intermediate Bus Architecture),它的特征是由一個隔離式“磚塊”部件或總線轉(zhuǎn)換模塊(IBC)供電給一連串的非隔離負載節(jié)點轉(zhuǎn)換器(niPOL),niPOL靠近負載發(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,價格也相宜,成本相對下降,這種架構(gòu)才出現(xiàn)了不久。

  但它存在幾項嚴重缺點不易克服;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載面對潛在高壓危險,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(Intermediate Bus Voltage)通常為12V,該電壓要顧及兩項取舍;對高效功率分布,12V電壓是過低,傳輸或分布功率時電流大、損耗多、極為不利。另一方面,對開關(guān)轉(zhuǎn)變電壓來說,12V則為太高了。12V轉(zhuǎn)到1.2V的開關(guān)動作占空比在10%左右,不利高效益的niPOL轉(zhuǎn)換器設(shè)計。上述兩方面相抵觸,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。意味系統(tǒng)的將來發(fā)展難具簡易統(tǒng)一性。此功率分布方式似不是長遠的理想選擇。

  一項創(chuàng)新的功率轉(zhuǎn)換方式已由Vicor公司發(fā)展開來,稱為分比功率架構(gòu) (Factorized Power Architecture),能大幅改進功率系統(tǒng)的性能、成本、可靠性。它由相關(guān)的嶄新組件稱為V·I芯片來實現(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)換的三個基本功能組成,即隔離、變壓、穩(wěn)壓。一個完整的DC-DC轉(zhuǎn)換器具備這三項功能,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)然就能實現(xiàn)全三項功能并且重復(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),這個非隔離PRM器件效率高至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可遠離負載點,即使是放在另一片電路板也可以,經(jīng)驗設(shè)計師可體會到這是個極大設(shè)計優(yōu)勢。負載節(jié)點上轉(zhuǎn)換器為電壓轉(zhuǎn)變模塊(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,輸出電壓由其K比值決定,VOUT=Vf?K。VTM效率可高達97%,具特顯的動態(tài)響應(yīng)及噪聲特性,80%負載階躍在100A/ms情形下,VTM能在200ns內(nèi)反應(yīng),1ms內(nèi)沉定,速度驚人,對于一些高速的微處理器供電,設(shè)計師大可改用PRM-VTM組合代替標準電壓穩(wěn)壓模塊,能去除大量高成本,易損壞的負載端電容。

  VTM內(nèi)部為零電壓/零電流開關(guān)(ZVS/ZCS)拓撲,固有地產(chǎn)生較低共模、差模噪聲,一個48V至12V的VTM輸出只帶1mF陶瓷旁路電容下,高頻紋波只有12mVpp(輸出的0.1%),表現(xiàn)遠勝傳統(tǒng)DC-DC轉(zhuǎn)換器相應(yīng)處。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的負載調(diào)整率也只是 /-4%的數(shù)量級。PRM-VTM更可作死循環(huán)操作進一步強化穩(wěn)壓率。圖1所示就是死循環(huán)的使用,PRM對應(yīng)負載變化而控制輸出Vf,Vf被上下微調(diào)以補嘗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)合實現(xiàn)緊密穩(wěn)壓、高效率、低噪聲及快速瞬態(tài)響應(yīng)等性能,這些都是難能可貴的表現(xiàn)。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/259031.htm

  FPA的幾項應(yīng)用例子。參考圖1、2、3示意,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,負載調(diào)整率是 /-4%左右,已相當(dāng)不錯;圖3為單個PRM驅(qū)動多個VTM的應(yīng)用,只需將最需要緊密穩(wěn)壓的負載電壓反饋到PRM作死循環(huán),圖中VTM對負載1輸出精確電壓。負載2及3仍能達 /-4%調(diào)整率。PRM-VTM還有很多其它的組合應(yīng)用方式,極盡靈活,此處未能盡錄。

  VTM更可以并聯(lián)而且竟能不需均流控制!細看其資料顯示它具雙向傳輸功率能力,技術(shù)含量極為領(lǐng)先。PRM-VTM實行的分比功率架構(gòu)(FPA)靈活性非凡,預(yù)示電源的應(yīng)用將會有新景象。

  PRM及VTM都是球狀網(wǎng)陣(BGA)封裝器件,板內(nèi)置放僅為4mm高,試比較標準1/4磚模塊穿孔置放時為12.7mm高度。占用的電路板面積:PRM或VTM為6.5cm2,而1/4磚模塊為21.3cm2。尺寸體積夠小了(圖4),功率又如何,一個雙芯片組合(單個PRM及單個VTM)能達500 W/in3系統(tǒng)水平功率密度,而在負載節(jié)點,密度更大于1000W/in3,等價于近500A /in3 的電流密度?,F(xiàn)知道VTM的最大功率和最大電流分別為200W及80A。

  總結(jié):分比功率(FPA)是突破傳統(tǒng)的功率分布方式,由BGA封裝的V–I芯片實行,重新調(diào)配了功率轉(zhuǎn)換的功能(變壓、穩(wěn)壓及隔離),這種架構(gòu)強化功率系統(tǒng)的性能、可靠性、靈活性,而成本卻反而下降。

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圖1 分比功率: 隔離功能移近負載節(jié)點,Vf總線提高,產(chǎn)生多項優(yōu)點: 強化性能、增加可靠性、減少組件、增強靈活性。

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圖3:FPA應(yīng)用的靈活性,PRM驅(qū)動多個VTM,死循環(huán)操作提供緊密穩(wěn)壓到負載1;負載2及3調(diào)整率仍能是 /-4%數(shù)量級。
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