什么是Factorized Power Architecture——突破傳統的分布式電源結構
加入技術交流群
首先回顧開關電源面世后的應用發展情況，起初的電源是集中式的(Centralized Power)，即系統全由一個獨立電源供電，它的優點是成本效益佳，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，動態響應劣，要更變設計則須重新做一臺電源，即不適合作“規模可變”(Scalable)設計。后來高密度“磚塊式”的DC-DC轉換器部件或模塊面世后，促成分布式功率架構(Distributed Power Architecture)的發展，這在通訊領域的應用尤為顯著。通訊設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。這種電源架構能簡單地作并聯、冗余設計，完全可以更變規模，并且瞬變響應優越；但是成本提高了，功率的分布應用一連串的模塊，隔離、穩壓在電路上重復又重復，EMI濾波及輸入保護也在電路多個節點重復，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總線架構 (Intermediate Bus Architecture)，它的特征是由一個隔離式“磚塊”部件或總線轉換模塊(IBC)供電給一連串的非隔離負載節點轉換器(niPOL)，niPOL靠近負載發揮電壓轉變及穩壓，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，這種架構才出現了不久。
但它存在幾項嚴重缺點不易克服；如總線轉換器需靠近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，需注重回路環路、噪聲耦合等難題。中轉總線電壓(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，對開關轉變電壓來說，12V則為太高了。12V轉到1.2V的開關動作占空比在10%左右，不利高效益的niPOL轉換器設計。上述兩方面相抵觸，中轉電壓很可能在不同場合需要專門選定，例如12V， 5V， 3.3V。意味系統的將來發展難具簡易統一性。此功率分布方式似不是長遠的理想選擇。
一項創新的功率轉換方式已由Vicor公司發展開來，稱為分比功率架構 (Factorized Power Architecture)，能大幅改進功率系統的性能、成本、可靠性。它由相關的嶄新組件稱為V·I芯片來實現。V·I芯片目前有兩種，分別為預穩定壓模塊(PRM)及電壓轉變模塊(VTM)。要了解它們是什么，先回顧功率轉換的三個基本功能組成，即隔離、變壓、穩壓。一個完整的DC-DC轉換器具備這三項功能，中轉總線轉換器(IBC)則通常只具隔離及變壓功能，而niPOL轉換器則存在變壓及穩壓功能，IBC及niPOL合起來當然就能實現全三項功能并且重復了變壓功能，是一種最少兩級的電壓轉變串成方式，如前文所述，中轉總線電壓不好選定。
相反，PRM只有穩壓功能，VTM則只具變壓、隔離功能，PRM及VTM合起來就更能簡易實現全功能DC-DC轉換器，它們就組成了突破性的分比功率架構——Factorized Power Architecture或FPA。圖1顯示該功率分布方式的功能組成。
該架構的首個模塊為預穩定壓模塊(PRM)。它把輸入直流穩壓，輸出穩壓的分比總線(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，經驗設計師可體會到這是個極大設計優勢。負載節點上轉換器為電壓轉變模塊(VTM)，它把穩壓而非隔離的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%，具特顯的動態響應及噪聲特性，80%負載階躍在100A/ms情形下，VTM能在200ns內反應，1ms內沉定，速度驚人，對于一些高速的微處理器供電，設計師大可改用PRM-VTM組合代替標準電壓穩壓模塊，能去除大量高成本，易損壞的負載端電容。
VTM內部為零電壓/零電流開關(ZVS/ZCS)拓撲，固有地產生較低共模、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%)，表現遠勝傳統DC-DC轉換器相應處。VTM的輸出阻抗極低，低電壓單元只有約1mΩ，故即使在開環模式下，VTM的負載調整率也只是 /-4%的數量級。PRM-VTM更可作死循環操作進一步強化穩壓率。圖1所示就是死循環的使用，PRM對應負載變化而控制輸出Vf，Vf被上下微調以補嘗VTM的輸出阻抗效應(如上所述約為 /-4%)，VTM的任務是變壓及隔離，PRM-VTM結合實現緊密穩壓、高效率、低噪聲及快速瞬態響應等性能，這些都是難能可貴的表現。
本文引用地址：http://www.104case.com/article/259031.htmFPA的幾項應用例子。參考圖1、2、3示意，前文已述，圖1為死循環應用情形；圖2為開環的簡單應用，負載調整率是 /-4%左右，已相當不錯；圖3為單個PRM驅動多個VTM的應用，只需將最需要緊密穩壓的負載電壓反饋到PRM作死循環，圖中VTM對負載1輸出精確電壓。負載2及3仍能達 /-4%調整率。PRM-VTM還有很多其它的組合應用方式，極盡靈活，此處未能盡錄。
VTM更可以并聯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，技術含量極為領先。PRM-VTM實行的分比功率架構(FPA)靈活性非凡，預示電源的應用將會有新景象。
PRM及VTM都是球狀網陣(BGA)封裝器件，板內置放僅為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系統水平功率密度，而在負載節點，密度更大于1000W/in3，等價于近500A /in3 的電流密度。現知道VTM的最大功率和最大電流分別為200W及80A。
總結：分比功率(FPA)是突破傳統的功率分布方式，由BGA封裝的V–I芯片實行，重新調配了功率轉換的功能(變壓、穩壓及隔離)，這種架構強化功率系統的性能、可靠性、靈活性，而成本卻反而下降。
此主題相關圖片如下：
圖1 分比功率: 隔離功能移近負載節點，Vf總線提高，產生多項優點: 強化性能、增加可靠性、減少組件、增強靈活性。
此主題相關圖片如下：
圖3：FPA應用的靈活性，PRM驅動多個VTM，死循環操作提供緊密穩壓到負載1；負載2及3調整率仍能是 /-4%數量級。
此主題相關圖片如下：
評論