近年電子及數據產業的發展及分布式供電系統的推廣,DC-DC轉換器的應用越來越廣,新的微處理器、記憶體、DSp及ASIC都趨向要求低電壓、大電流供電。面對新世代的電子器件和負載,電源業要面對重大的挑戰,產品除了能在低電壓輸出大電流外,還要做到體積小、重量輕、動態反應快,噪聲小和價錢相宜。這些需求促使業界重新審視現有技術和架構。

電源架構的發展(CpA)

集中式電源,這是最基本的電源結構,簡單、成本輕。它把從前端到DC-DC轉換的功能集中在一個框架,減少占用負載點的電路板空間,防止串接作多次功率轉換,效率較佳,也相對能容易處理散熱及EMI問題。設計師也要在I2R功耗與EMI兩方面平衡考慮,決定電源與負載的距離。雖然集中式電源在很多應用上運作良好,但對要求低電壓、多個負載點的應用,不是很適合。

分布式架構(DpA)

自80年代,電源模塊面世后,分布式架構被廣泛采用,成為最常用的架構。(磚式的電源模塊齊備了DC-DC轉換器的三項基本功能:隔離、變壓和穩壓,工程師可以把電源模塊置在系統電路板上,靠近負載供電。分布式架構是由較粗糙的DC母線(一般為48V或300V)供電,再由放置在系統電路板旁的DC-DC轉換器轉換成合適的電壓為負載供電。這種布局可以改善系統的動態反應,防止整個系統在低電壓操作所出現的問題。

分布式電源的成本一般較高,尤其是在負載數目多的情形下,要占用較大的電路板空間。而且在每一個負載點都重復包括隔離、變壓、穩壓、EMI濾波和輸入保護等功能,模塊的成本自然增大。

中轉母線架構(IBA)

中轉母線架構(圖1)彌補了分布式電源架構的缺點。它把DC-DC轉換器的隔離、變壓及穩壓功能分配到兩個器件。IBC(中轉母線轉換器)具變壓及隔離功能。nipoL(非隔離負載點轉換器)則供應穩壓功能。IBC把半穩壓的分布母線轉為不穩壓及隔離的中轉母線電壓(一般是12V),供電給一連串的nipoL。nipoL靠近負載,供應變壓及穩壓功能。IBA的理念是把母線電壓降至一個稍稍高于負載點的電壓,再由較便宜的降壓器(nipoL)來完成余下的工作。降壓器(nipoL)經由電感器傳輸電壓到負載,這電壓相等于上開關和下開關共同端電壓的平均值,等如上開關電壓占空比與中轉母線的乘積。

中轉母線架構的問題是令IBC和nipoL均能有效操作的條件是互相沖突的。圖2比較了多個把48V分布母線轉為1V用的方法,各分布母線的寬度代表了所帶的電流。

第一個例子顯示由48V直接用nipoL轉為1V,雖然電流和功耗都很少,但nipoL的占空比只有2%。占空比太低,會引發高峰值電流,輸入輸出紋波太大,瞬態反應慢,噪聲高及功率密度低等問題。

第二個例子,以IBC轉換48V母線至12V中轉電壓,nipoL的占空比是8%,改進不大。而IBC所帶的電流比第一個例子高四倍。防止分布損耗,母線的截面面積需增大16倍,或縮短IBC與nipoL的距離。

余下兩個例子顯示利用IBC轉換48V至3V或2V。電壓越低,占空比越高。但中轉母線電流亦越大,分布損耗更多。由于母線電流高,在這兩個例子中,IBC與nipoL要靠得很近。在2V的例子,nipOL的占空比是50%,很好,但此時IBC要跟著nipOL的尾巴走,彼此靠近得如同整體是一個DC-DC轉換器,說明將DC-DC轉換器分開兩個器件的甩的在IBA是達不到的,重復分布式架構的困局,不能發揮IBA的優點。

IBA的另一個問題是nipOL的瞬變反應。nipOL能否快速地按負載變化加大或減少電流呢?它的根本難處是它把電感器放錯了位置。

電感器內的電流變化率由加于電感器上的電壓決定。在低電壓應用時,當負載處于大電流狀態,它的電流變化率受輸出電壓所限。當輸出電壓越低,電流變化率越小,要更長的時間減低電流,即越難停止電感的慣性電流,復原的時間亦更長,要在輸出加上大電容。

在nipOL前放置的大電容,雖負責濾波及維持低阻抗,但對負載旁路效果不大。由于電感的位置不當,出現電流慣性,因此要在輸出加上大電容以保持穩定。

總的來說,IBA架構內存在固有的互相抵觸的效應,它的根本原因可追索到基本的奧姆定律,只能在某些范圍內折沖使用。但對另一些應用,以上提到的缺點便浮現出來了。