分(fen)比式(shi)功率——配(pei)合(he)未來電(dian)源發展的(de)架構(gou)
Vicor公(gong)司應(ying)用工程(cheng)師 劉(liu)廣緣(yuan)
近年電子及(ji)數據產(chan)業的(de)發展及(ji)分(fen)布式(shi)供電系(xi)統(tong)的(de)推(tui)廣， DC-DC轉換(huan)器的(de)應(ying)用越來(lai)越(yue)廣， 新(xin)的(de)微(wei)處理器、記(ji)憶(yi)體(ti)、DSP及(ji)ASIC都(dou)趨向(xiang)要求(qiu)低電壓(ya)、大電流供電。 面對(dui)新(xin)世代(dai)的(de)電(dian)子器件和負載，電(dian)源(yuan)業要面對(dui)重大的(de)挑戰(zhan)，產(chan)品除(chu)了能在低電壓(ya)輸(shu)出(chu)大電流外， 還(hai)要做到(dao)體(ti)積(ji)小、重(zhong)量輕(qing)、動態反(fan)應(ying)快(kuai)， 噪(zao)聲(sheng)小(xiao)和價(jia)錢(qian)相(xiang)宜。 這些(xie)需(xu)求(qiu)促使(shi)業界重新(xin)審(shen)視(shi)現有和架構(gou)。
電(dian)源架構(gou)的(de)發展 （CPA）
集中式(shi)電(dian)源，這(zhe)是zui基本(ben)的(de)電(dian)源結構(gou)，簡(jian)單、成(cheng)本(ben)輕(qing)。它(ta)把(ba)從(cong)前端到(dao)DC-DC轉換(huan)的(de)功能集中在(zai)個(ge)框(kuang)架， 減(jian)少(shao)占用負載點(dian)的(de)電(dian)路板(ban)空間， 避(bi)免串(chuan)接作(zuo)多次(ci)功率轉換(huan)，效率(lv)較佳(jia)，也(ye)相(xiang)對(dui)能處理散熱(re)及(ji)EMI問(wen)題(ti)。 設(she)計(ji)師(shi)也(ye)需(xu)要在I2R功耗與EMI兩(liang)方(fang)面平衡(heng)考(kao)慮，決(jue)定(ding)電源(yuan)與負載的(de)距離(li)。雖然(ran)集中式(shi)電(dian)源在(zai)很(hen)多應(ying)用上(shang)運作(zuo)良好，但對(dui)要求(qiu)低電壓(ya)、多個負載點(dian)的(de)應(ying)用，不是很(hen)適(shi)合(he)。
分布式(shi)架構(gou) （DPA）
自80年代，電源模(mo)塊面世後(hou)，分布式(shi)架構(gou)被(bei)采用，成為(wei)zui常(chang)用的(de)架構(gou)。（磚(zhuan)式的(de)電(dian)源模塊齊備了(le)DC-DC轉換(huan)器的(de)三(san)項基本(ben)功能: 、變壓(ya)和穩壓(ya)，工程(cheng)師可(ke)以(yi)把(ba)電(dian)源(yuan)模(mo)塊置(zhi)在(zai)系(xi)統(tong)電路板(ban)上(shang)，靠近(jin)負載供電。分(fen)布式(shi)架構(gou)是由(you)較粗(cu)糙(cao)的(de)DC母(mu)線（般為(wei)48V或300V）供電， 再由(you)放置(zhi)在(zai)系(xi)統(tong)電路板(ban)旁(pang)的(de)DC-DC轉換(huan)器轉換(huan)成合(he)適(shi)的(de)電(dian)壓(ya)為(wei)負載供電。這(zhe)種布局(ju)可以(yi)改善系(xi)統(tong)的(de)動態反(fan)應(ying)，避(bi)免整(zheng)個系(xi)統(tong)在低電壓(ya)操作所(suo)產(chan)生的(de)問(wen)題(ti)。
分(fen)布(bu)式(shi)電(dian)源的(de)成(cheng)本(ben)般較，尤(you)其(qi)是在(zai)負載數目(mu)多的(de)情(qing)形(xing)下(xia)，需要占用較大(da)的(de)電(dian)路板(ban)空間。而且在(zai)每個(ge)負載點(dian)都(dou)重復(fu)包(bao)括、變(bian)壓(ya)、穩壓(ya)、EMI濾波和輸(shu)入保護等功能，模塊的(de)成(cheng)本(ben)自然(ran)增(zeng)大。
中轉母線架構(gou) （IBA）
中轉母線架構(gou) （圖(tu)1） 彌補了分(fen)布(bu)式電源(yuan)架構(gou)的(de)缺點(dian)。它(ta)把(ba)DC-DC轉換(huan)器的(de)、變(bian)壓(ya)及(ji)穩壓(ya)功能分配到兩(liang)個器件。 IBC （中轉母線轉換(huan)器） 具變壓(ya)及(ji)功能。niPoL （非負載點(dian)轉換(huan)器） 則提供穩壓(ya)功能。 IBC把(ba)半(ban)穩壓(ya)的(de)分(fen)布母線轉為(wei)不穩壓(ya)及(ji)的(de)中轉母線電(dian)壓(ya)（般是12V）， 供電給連串(chuan)的(de)niPoL。 niPoL 靠(kao)近負載， 提供變壓(ya)及(ji)穩壓(ya)功能。IBA 的(de)理(li)念是把(ba)母(mu)線(xian)電(dian)壓(ya)降(jiang)至個(ge)稍(shao)稍(shao)於負載點(dian)的(de)電(dian)壓(ya)，再由(you)較便(bian)宜(yi)的(de)降(jiang)壓(ya)器（niPoL）來完(wan)成(cheng)余下(xia)的(de)工(gong)作。降(jiang)壓(ya)器（niPoL）經(jing)由電(dian)感器傳輸(shu)電(dian)壓(ya)到負載，這(zhe)電(dian)壓(ya)相等於上(shang)開關(guan)和下(xia)開關(guan)共同(tong)端電(dian)壓(ya)的(de)平(ping)均(jun)值，等如上(shang)開關(guan)電壓(ya)占空比與中轉母線的(de)乘(cheng)積。
中轉母線架構(gou)的(de)問(wen)題(ti)是令IBC和niPoL均(jun)能操作的(de)條(tiao)件是互相(xiang)沖(chong)突(tu)的(de)。 圖(tu)2比較了(le)多(duo)個把(ba)48V分(fen)布(bu)母(mu)線(xian)轉為(wei)1V用的(de)方(fang)法(fa)，各分(fen)布母(mu)線的(de)寬(kuan)度了所(suo)帶(dai)的(de)電(dian)流。
*個(ge)例子顯(xian)示由48V直接用niPoL轉為(wei)1V，雖然(ran)電流和功耗都(dou)很(hen)少，但niPoL的(de)占空比只(zhi)有2%。占空比太(tai)低，會引發峰(feng)值電流，輸(shu)入輸(shu)出(chu)紋波太(tai)大，瞬(shun)態反(fan)應(ying)慢(man)，噪(zao)聲(sheng)及(ji)功率密(mi)度(du)低等問(wen)題(ti)。
第(di)二(er)個例子，以(yi)IBC轉換(huan)48V母線(xian)至12V中轉電壓(ya)，niPoL的(de)占空比是8%，改進不大。而IBC所(suo)帶(dai)的(de)電(dian)流比*個(ge)例子四(si)倍。避(bi)免分(fen)布損(sun)耗，母(mu)線(xian)的(de)截(jie)面面積需增(zeng)大16倍，或縮(suo)短IBC與niPoL的(de)距離(li)。
余下(xia)兩(liang)個(ge)例子顯(xian)示利用IBC轉換(huan)48V至3V或2V。電(dian)壓(ya)越低，占空比越(yue)。但中轉母線電(dian)流亦(yi)越大(da)，分(fen)布(bu)損耗多。由於母線(xian)電(dian)流，在(zai)這兩(liang)個(ge)例子中，IBC與niPoL 要靠得(de)很(hen)近。在2V的(de)例子，niPOL的(de)占空比是5, 很(hen)好, 但此(ci)時(shi)IBC要跟著(zhe)niPOL的(de)尾(wei)巴(ba)走(zou), 彼此(ci)靠(kao)近(jin)得(de)如同整(zheng)體(ti)是個(ge)DC-DC轉換(huan)器,說(shuo)明將(jiang)DC-DC轉換(huan)器分開兩個(ge)器件的(de)甩(shuai)的(de)在(zai)IBA是達(da)不到的(de)， 重(zhong)復分布式架構(gou)的(de)困(kun)局(ju)，不能發揮(hui)IBA的(de)優(you)點(dian)。
IBA的(de)另(ling)個問題(ti)是niPOL的(de)瞬(shun)變反(fan)應(ying)。niPOL能否(fou)地(di)按(an)負載變(bian)化(hua)加(jia)大(da)或減(jian)少(shao)電流呢(ne)? 它(ta)的(de)根(gen)本(ben)難(nan)處是它(ta)把(ba)電(dian)感(gan)器放錯(cuo)了位置(zhi)。
電(dian)感(gan)器內的(de)電(dian)流變(bian)化(hua)率(lv)由(you)加(jia)於電感(gan)器上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)決定。在低電壓(ya)應(ying)用時(shi)，當(dang)負載處於大電(dian)流狀(zhuang)態，它(ta)的(de)電(dian)流變(bian)化(hua)率(lv)受(shou)輸(shu)出(chu)電壓(ya)所(suo)限。當(dang)輸(shu)出(chu)電壓(ya)越低，電流變(bian)化(hua)率(lv)越(yue)小(xiao)， 需(xu)要長的(de)時(shi)間減(jian)低電流，即(ji)越難(nan)停止電(dian)感(gan)的(de)慣(guan)電流，復(fu)原的(de)時(shi)間亦(yi)長(chang)，需要在輸(shu)出(chu)加(jia)上(shang)大電(dian)容。
在niPOL前放置(zhi)的(de)大(da)電容， 雖負責(ze)濾波及(ji)維(wei)持(chi)低阻抗， 但對(dui)負載旁(pang)路效果不大。 由於電感(gan)的(de)位(wei)置(zhi)不當(dang)，產(chan)生電(dian)流慣(guan)，因此(ci)需(xu)要在輸(shu)出(chu)加(jia)上(shang)大電(dian)容以(yi)保持(chi)穩定(ding)。
總的(de)來(lai)說(shuo)， IBA架構(gou)內(nei)存在固有的(de)互相(xiang)抵觸的(de)效(xiao)應(ying)，它(ta)的(de)根(gen)本(ben)原因可(ke)追(zhui)索到(dao)基本(ben)的(de)奧(ao)姆定律，只能在某(mou)些(xie)範(fan)圍(wei)內折沖(chong)使(shi)用。 但對(dui)另些(xie)應(ying)用，以(yi)上(shang)提到的(de)缺點(dian)便(bian)浮現出(chu)來了。
