新的功率转换拓朴架构及分比功率架构

80年代，零电流开关准谐振转换技术面世，生产厂家构思出一种砖型的功率转换元件。成为非常灵活的电源元件，取代了大部份客制电源。从此，电源元件工业便诞生了。最近，电源界又发生相类似的突破，又一种新功率转换技术出现了。它的开关频率达 3.5 MHz，体积只有晶片般大小，把电源模块提升到另一层次。分比式功率架构，带来了前瞻性的优势。

举例，设计师的重点是为系统或应用供电，但不想系统空间被不必要的转换功能占去。集中式电源架构能有效地运用电路板。但现在的负载要求趋向低电压、高电流，集中式电源不能有效地把功率分布出去。同样，分布式电源同时有优点和缺点。它直接为负载供电，但同时带来重量、体积以及散热等问题。最近期的架构是中转母线转换，它利用非隔离负载点转换器为负载供电，为了节省成本，把隔离和大比例的电压转换移到母线转换器。但是，母线转换器必须靠近负载点转换器，以低压供电。



图1 – 传统砖式模块提供稳压、变压和隔离

分比功率架构 (FPA)，克服了这些缺点，使电源转换技术进入新时代。分比功率架构把三项基本转换功能：稳压、变压和隔离；分别置于两个电源模块里 (图3)。预稳压模块 (PRM) 提供稳压，它被设置于电压转变模块 (VTM) 上端，而电压转变模块 (VTM) 具变压和隔离功能。



图2 – 中转母线架构 (IBA) 把稳压但非隔离的基本功能分配到负载点



图3 - 分比功率架构 (FPA) 把变压和隔离的功能分配到负载点

分比功率架构透过把三项基本转换功能；分别置于两个电源模块里来加强电源系统的灵活性。这架构可灵活部署，电源设计师在需要时可以把 PRM 和 VTM 结合来使用。同样可以把 PRM 从电路板上移走，只把 VTM 设于负载点。事实上，因为 VTM可以转换相对较高的电压，电压可以最低功耗 I2R来分布，而 PRM 可远离负载或甚至放于另一块电路板上。所以，电源设计师轻易地按着应用来选择合适的设置。

VTM 提供变压和隔离的功能。VTM 可因应 k 因素的不同、或转换比率来倍大或降低电压。

非隔离的 PRM 可接受宽广的输入电压及把它转换为一个稳压的分比母线。PRM 的工作效率很高，一般在 97 – 99% 范围 (典型值)。输入电压越接近分比电压，效率便越高。以一个 48 V 系统为例，36 – 75 V 输入范围，输出在 48 V 左右，效率可达到 99%。

分比功率架构利用隔离的 VTM 作为负载点转换器；把 VTM 靠近负载点可使转换效率非常高，减少分布功耗及改善效率。  

高频率分比功率架构晶片 (图4)，使用软开关零电流/零电压开关技术，给设计师提供许多好处。首先，晶片体积细小、重量轻，功率密度非常高。非常薄身；距离基板小于 0.25” (6 mm)，可灵活配置于电源系统内。单一个 PRM 在 48 V 输出時，最高功率可达 200 W，VTM 在高压应用最高可达 200 W，低压应用亦可达 100 A。由一个 PRM 及一个 VTM 组成的分比式功率架构，功率密度可达400 W/in3。



图4 - 分比功率架构晶片尺寸的体积是 1.26 x 0.85 x 0.24吋 (32 x 21.5 x 6 mm)；重 0.43安士 (12.25g)。

相比开关频率在 MHz 范围内硬开关模块，这些晶片把传导和辐射噪声降至非常低的水平。系统设计师容易地把隔离的 VTM 设置于负载点，不需担心开关噪声和接地回路。

无需多加滤波电容器，VTM 的输出纹波小于 1%。VTM 用软开关技术，工作频率达 3.5 MHz，减低分布电感，加上优良的连接，只需外加细小的旁路电容，输出纹波可以降至负载电压的 0.1%。

软开关技术可以克服开关频率障碍，令EMI 滤波变得简单、轻松以及较便宜。

PRM 接受一个宽广范围的电压及把电压转换成分比母线 ── 一个受控的电压源，效率达 97 - 99%。VTM 把分比母线电压转换成的负载电压，可以升压或降压，效率高达 97%。VTM 同时提供输入、输出隔离。

一个由 PRM 及 VTM 组成的供电系统，由一个不稳压的 DC 电源提供一个低压 DC 输出，系统的典型效率是 90 - 95%。在很多情况下，满载时效率可超出 95%。  

由于晶片的开关频率高达 3.5 MHz，加上整个元件的设计都追求反应快速，VTM 可在 200 纳秒内对任何幅度的负载变化作出反应，并在 1 微秒内返回。这比起最快的砖式模块还要快上 20倍。就算专为满足微处理器动态需求而设计的多路 VRM 都不及VTM 反应快速。