幾種電源架構

設計人員要為各種dsp、MCU、FPGA、ASIC、音頻/視頻和顯示電路提供多電壓、更大電流、更高效率、更低功耗、更低噪聲、更小形狀因數的電源和電源管理。為此出現了各種各樣的電源架構來滿足變化的電源管理要求。

　　分布式電源架構

　　分布式電源架構(Distributed Power Architecture,PDA)是基站用的第一代電源架構。PDA的一個實例示于圖1。這種電源架構對每個電壓軌用隔離(磚式)電源模塊提供。當電壓軌有限時，PDA工作良好，但每增加1個電壓軌，其成本和PCB面積都顯著增加。電壓軌時序也是困難的，需要增加外部電路來解決電壓軌時序，這也會增加成本和板面積。

　　圖1 典型的DPA架構

　　中間總線架構

　　為了克服DPA尺寸大和成本高的缺點，第二代系統采用中間總線(Intermediate Bus Architecture,IBA)架構。中間總線架構有固定電壓(fixed voltage)IBA，非穩壓(unregulated)IBA和準穩壓(Quasi-regulated)IBA幾種架構。圖2所示的固定電壓IBA采用單個隔離磚式電源模塊和很多非隔離負載點(Pol)DC/DC變換器。Pol可以是電源模塊(如TI公司的PTH系列)，也可以是分立的降壓變換器。隔音變換器的輸入電壓范圍(36~75V或18~36V)與第一代相同。它所產生的中間總線電壓穩定到3.3V，5V或12V。中間總線電壓選擇取決于系統設計師。這種設計的好處是：較小的PCB面積、較低的成本和較容易的電壓時序(由于有自動跟蹤特性)。這種電源架構使效率降低，每個電壓需要兩次變換。

　　圖2 固定電壓中間總線架構

　　為了滿足微小區基站設計對高效率和小占位面積的要求，需增加隔離變換器效率，使其工作在固定占空比和不穩壓輸出，這就是非穩壓中間總線結構。這種結構采用非穩壓總線變換器，其輸出電壓是輸入電壓之比(例如TI公司ALD17 5：1變換器產生的輸出電壓是輸入電壓的五分之一)。用這種技術設計的150W系統的第一變換級用十六分之一磚式變換器效率可達96%。這種架構的限制是總線變換器的最大輸入電壓范圍是36~55V。Pol的輸入電壓必須小于12V，才能使Pol產生1V或小于1V的輸出電壓。

　　為了滿足一些無線供應商堅持要保持36~75V傳統寬輸入電壓規格的要求，電源供應商推出準穩壓IBA。這種架構與非穩壓IBA的主要差別是在輸入電壓超過55~60V范圍，其輸出電壓穩定到10V左右。這種架構的缺點是隔離電源模塊必須增大尺寸來實現穩壓電路和在55V以上效率降低。

新一代SoC電源管理

　　APC(先進的電源管制器)靠動態或表態管理電源電壓和漏電流，使SoC(系統芯片)能耗最佳化。采用兩種技術：DVS(Danamic Voltage Scalling)和AVS(Adaptive Voltage Scalling)來管理SoC電源電壓。APC適用兩個軟IP版本：APC1和APC2。APC1設計用于單SoC;APC2設計用更復雜SoC電源管理架構，支持個并行電壓和時鐘。APC2在內部共享電壓域時具有控制多個獨立時鐘域的能力，這種能力特別重要，這可允許低功率工作。PWI2.0總線接口可使APC2連接到多個外設器件或另外SoC。圖4示出采用APC2的雙域SoC系統架構。SoC由兩個主要邏輯單元(硬件加速器和CPU)組成。在每個電壓域內有1個用于AVS控制的硬件性能監控器(HPM)。時鐘管理單元為電壓域和HPMs提供時鐘信號。APC的4個主要功能單元示于APC2單元內。控制邏輯單元提供主接口(AMBA-APB)、CMU接口和中斷管理服務。環路控制器管理AVS模式中的電壓縮放。為DVS支持提供每個電壓的頻率—電壓表。PWI2.0主機連接SoC到PMIC和其他外設。

　　圖4 采用APC2的雙域SoC系統架構

　　分比式電源架構

　　分比式電源架構(Factorized Power Architecture,FPA)采用3個靈活的單元來重新規定每個變換級的范圍，使得電源密度和效率都比較高。第1個單元是總線變換器模塊(BCM)，這是1個窄范圍輸入、非穩壓、高效率總線變換器，它采用ZCS-ZVS正弦幅度變換器(SAC)提供隔離和電壓變換。有高電壓(高達384V)和中電壓(48V)輸入兩個版本。FPA的第2個單元是預調器模塊(PRM)，這是1個高效率升壓一降壓變換器。FPA的第3個單元是電壓變換模塊(VTM)，它與PRM組合在一起提供低電壓輸出(如需要可低到0.82V)。FPA單元為電源系統設計提供更大的靈活性、伸縮性和更高的效率(圖3)。就尺寸而言，工作在3.5MHz有效頻率的SAC，對于高電源變換在小封裝中采用平面磁性元件，這種結構使功率密度大于1000W/in3。

　　圖3 FPA系統(效率和尺寸)