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分比式功率电源架构(FPATM)

中采网-电子资讯及技术频道    2012年10月9日  

    

    分比式功率架构把DC-DC转换器的功能重新编排;并以晶片封装的元件来实现。它的主要元件是预稳压模块(PRM)和电压转变模块(VTM)。PRM只有稳压功能,VTM具变压和隔离功能,PRM和VTM合起来,就能实现DC-DC转换器的功能。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(Vf)传送到VTM。VTM作为负载点转换器,把分比母线升压或降压,提供隔离电压给负载。负载变化由反馈电路传到PRM,由PRM调控分比电压,实现稳压。 

     跟分布式架构或中转母线架构不一样,在分比式架构,稳压功能由PRM提供,可远离负载。VTM作为负载点的转换器,它不需要提供稳压的功能,可以无须靠近负载。它只负责按K比值“倍大电流”或“降低电压”(VOUT=VfK),VTM可在整个转换周期传送电流,它的占空比是百份之一百。FPA以分比母线传输功率,可以较随意的选择电压,无须如前所述的IBA架构,因固有的冲突,中转电压只能选定在稍高于负载的电压,否则它的占空比将无法管理。

    由于VTM负责在负载点变压,它的K比值最高可达到200,分比母线因此无须受负载电压限制,可设定在任何一点上,甚至可把分比母线设定跟电源电压相同。如图5,负载电压是1V,分比母线可设定为48V,完全不受负载电压或PRM与VTM的距离影响,不需在输送损耗与转换损耗中折冲取舍。重点是FPA把变压的部份放在负载点,克服了IBA面对的难题,占空比可达100%。FPA的瞬变反应较IBA理想。如前述,IBA把电感器放在中转母线与负载之间,产生电流惯性。在FPA分比母线与负载之间没有电感器(图6),由于VTM不受电感惯性左右,可快速的反应负载变化。在分比母线的电容由于没有电感的阻隔,可对负载有效旁路,该电容相等于在负载加上1/K2倍电容值,这便无须在负载点加上大电容。图7清楚表示在FPA只需用上4uF的电容便可以取代IBA中的10000uF电容。 

 FPA的控制架构 
    PRM内的控制系统和辅助ASICs令PRM可以用不同的方法来控制VTM的输出电压。 

    本地闭环是最简单的方法。PRM感应它自己的输出电压,再调整及维持分比母线电压在一个常数。负载电压按VTM的输出阻抗的比例升降(VfK-IoutRout)。一个PRM可同时连接多个VTM。 

    自适应闭环。由VTM把讯号传送给PRM,让PRM调整分比母线。以补偿VTM的输出阻抗。自适应闭环只需要在VTM与PRM之间接上简单、非隔离的反馈电路,它的稳压精度便可达+/-1%。      

    遥感闭环把负载电压反馈到PRM。这方法的稳压精度最高可达+/-0.2%,但可能需要隔离反馈环路。PRM可连接多只VTM,其中一个VTM提供反馈讯号。  

    分比式功率架构,未来的电源架构 

    尽管IBA对于低电压应用,它仍然是有效及成本低的方案,但由于IBA有其固有的局限,在结构上互相冲突,它需要妥协折冲传输损耗与转换损耗,及牺牲瞬变反应。 

    反观FPA及VI晶片,没有了这些局限。VI晶片是非常灵活、高效的元件,它可以用在集中式、分布式和中转母线架构,工程师可即时提升系统的表现,大大缩小系统空间,改善瞬变、散热噪声等的问题。FPA及VI晶片,将是未来电源架构及元件的典范。 

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