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

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(fù)載瞬變更快速，負(fù)載電壓較低而電流卻極大，以及電路板趨向密集。設(shè)計(jì)師不得不去尋找一些細(xì)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(dá)到它們所能發(fā)揮的功能極限，很難再進(jìn)一步改良。本文要介紹的是一項(xiàng)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(shí)現(xiàn)這項(xiàng)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(gè)獨(dú)立電源供電，它的優(yōu)點(diǎn)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(jì)則須重新做一臺電源，即不適合作“規(guī)?？勺?rdquo;(Scalable)設(shè)計(jì)。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(jì)，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(hù)也在電路多個(gè)節(jié)點(diǎn)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(xiàng)分支稱為中轉(zhuǎn)總線架構(gòu) (Intermediate Bus Architecture)，它的特征是由一個(gè)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(fù)載節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換器(niPOL)，niPOL靠近負(fù)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(jià)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(xiàng)嚴(yán)重缺點(diǎn)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(fù)載面對潛在高壓危險(xiǎn)，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(xiàng)取舍；對高效功率分布，12V電壓是過低，傳輸或分布功率時(shí)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(jì)。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(yuǎn)的理想選擇。
一項(xiàng)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(jìn)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(shí)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(gè)基本功能組成，即隔離、變壓、穩(wěn)壓。一個(gè)完整的DC-DC轉(zhuǎn)換器具備這三項(xiàng)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(shí)現(xiàn)全三項(xiàng)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(shí)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(gè)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(gè)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(yuǎn)離負(fù)載點(diǎn)，即使是放在另一片電路板也可以，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)師可體會到這是個(gè)極大設(shè)計(jì)優(yōu)勢。負(fù)載節(jié)點(diǎn)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(dá)97%，具特顯的動態(tài)響應(yīng)及噪聲特性，80%負(fù)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(jì)師大可改用PRM-VTM組合代替標(biāo)準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓模塊，能去除大量高成本，易損壞的負(fù)載端電容。

VTM內(nèi)部為零電壓/零電流開關(guān)(ZVS/ZCS)拓?fù)?，固有地產(chǎn)生較低共模、差模噪聲，一個(gè)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(yuǎn)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(fù)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(jìn)一步強(qiáng)化穩(wěn)壓率。圖1所示就是死循環(huán)的使用，PRM對應(yīng)負(fù)載變化而控制輸出Vf，Vf被上下微調(diào)以補(bǔ)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(shí)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)。

FPA的幾項(xiàng)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(fù)載調(diào)整率是 /-4%左右，已相當(dāng)不錯；圖3為單個(gè)PRM驅(qū)動多個(gè)VTM的應(yīng)用，只需將最需要緊密穩(wěn)壓的負(fù)載電壓反饋到PRM作死循環(huán)，圖中VTM對負(fù)載1輸出精確電壓。負(fù)載2及3仍能達(dá) /-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(xì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)1/4磚模塊穿孔置放時(shí)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(gè)雙芯片組合(單個(gè)PRM及單個(gè)VTM)能達(dá)500 W/in3系統(tǒng)水平功率密度，而在負(fù)載節(jié)點(diǎn)，密度更大于1000W/in3，等價(jià)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(shí)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(qiáng)化功率系統(tǒng)的性能、可靠性、靈活性，而成本卻反而下降。

此主題相關(guān)圖片如下：

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

此主題相關(guān)圖片如下：

圖3：FPA應(yīng)用的靈活性，PRM驅(qū)動多個(gè)VTM，死循環(huán)操作提供緊密穩(wěn)壓到負(fù)載1；負(fù)載2及3調(diào)整率仍能是 /-4%數(shù)量級。
此主題相關(guān)圖片如下：