一种新电源转换拓扑结构—分比式电源结构

电源转换技术始于20世纪80年代。当时的定制电源主要采用零电流开关准共振变换器技术，而砖式电源部件被认为是一种灵活的部件，因此诞生了模块化电源制造业务。同样，新出现的电源转换技术，如开关速度为3.5 MHz的突破性DC/DC电源转换芯片，是对砖式电源概念的进一步发展。而基于这一技术的分比式电源结构(Factorized Power Architecture，FPA)则被认为提供了电源系统设计师所梦寐以求的优点。
例如，设计人员需要为系统和应用供电，但并不希望电源转换功能占据太大的系统空间。集中式电源可有效地将不需要的电源功能放到客户电路板之外实现。然而，随着电压不断降低和电流不断提高，集中式电源面临电源传输方面的挑战。同样，分布式电源也同时具有优点和缺点，它将电源放到负载点(PoL)附近，但同时也带来了砖式电源变换的所有问题，如重量、体积和散热等(图1)。最近发展起来的中间总线结构(Intermediate Bus Architecture)则采用了非隔离的负载点变换器，通过隔离和高变压比来提高成本效率(图2)。但这需要总线变换器靠得足够近，才能保证在低输入电压时提供足够的功率。


图1 传统砖式结构提供稳压、变压和隔离功能


图2  中间总线结构将三种功能分开，将稳压功能放在负载点上


图3  FPA将变压和隔离功能放在负载点附近


图 4  该FPA芯片大小为1.26英寸×0.85英寸×0.24英寸，重量为12.25g

分比式电源结构
基于新的电源转换技术的FPA克服了这些缺点，从而为电源转换开创了一个新时代。FPA将转换器的三大功能—稳压、变压和隔离—分离到两个电源构建模块中(图3)。预稳压模块(PRM)提供稳压功能，PRM在电压转换模块(VTM)的上游，VTM则提供变压和隔离功能。
通过将电源转换器的三大功能分散到两个模块中，分比式电源结构提高了电源系统的灵活性。这一结构允许设计人员灵活地部署PRM和VTM模块，如果他们想将PRM放在电路板以外，那么可以只将VTM放在负载点。事实上，由于VTM可以转换相对高的电压，高电压传输时的I2R损失更小，因此PRM可以安装在离负载较远的地方，甚至安装在另一块板上。这样，电源设计人员就不必进行艰难的选择或折衷，他们可以根据应用选择合适的方案。
VTM提供变压和隔离功能，根据特定VTM的K因子或变压比，电压可升可降。
非隔离的PRM可接收范围相当宽的输入电压并生成称为“分比总线电压”的稳压输出电压。这种转换的效率很高，通常在97%~99%的范围。输入与分比总线电压越接近，效率越高。例如，一个输入范围为36V~75V的48V系统，当输入电压接近48V时，效率可接近99%。
分比式总线结构利用隔离VTM模块做为负载点转换器，从而可在负载点获得超高转换效率，避免了传输损失并提高总效率。

高频FPA芯片
高频FPA芯片(图4)采用软切换零电流/零电压开关拓扑，从而为设计人员提供一系列优点。首先，它们体积小，重量轻，并且具有极高的功率密度。芯片可灵活地应用于电源系统中，高度仅0.25英寸(6 mm)。单片PRM在48V DC情况下可提供200W功率。VTM可在较高的电压下提供200W功率，在低电压下提供高达100A电流。由一片PRM和一个VTM组成的FPA系统功率密度可达到400W/in3。
这些芯片几乎避免了困扰硬开关工作频率在MHz以下的砖式电源转换器的传导损失和辐射损失。系统设计人员在负载点部署隔离VTM，不必担心开关噪声和地线环路。
不加任何外部滤波电容器的情况下，VTM输出纹波为1%。3.5 MHz软开关技术可利用与电路板互连线相关的分布电感，再加上小型陶瓷旁路电容器，将负载点的输出纹波降低到0.1%以下。通过利用软开关技术克服频率障碍，系统级电磁辐射(EMI)滤波将变得更简单、更轻小且成本更低。
PRM可把输入变化范围很宽的供电电压转换为分比式总线电压，这个总线电压是受控制的电压源。VTM把分比式总线电压转换为负载所需要的电压(升压或降压)，转换效率高达97%。VTM还在输入和输出之间提供了电气隔离。
对于包括一个PRM和一个VTM在内的电源系统，当采用非稳压直流输入源且输出直流低压时，总效率通常在90%~95%。在许多情况下，甚至在全负载时仍可达到超过95%的总效率。
由于VTM的有效开关工作频率是3.5MHz且其拓扑结构针对快速响应而设计，因此VTM可在200ns内对负载变化(无论幅度多大)做出响应，并在1ms内稳定。这一负载变化时的瞬变响应速度比起速度最快的砖块式转换器还要快二十倍。甚至专门针对满足领先微处理器的动态要求而设计的多相稳压电源模块(VRM)也无法与针对快速电源处理的优化VTM相比。