現(xiàn)代分布式電源架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)解決方案

已經(jīng)存在完整的AC / DC前端電源模塊，可以簡(jiǎn)化DPA的前端設(shè)計(jì)，這些模塊如表1所示。這些產(chǎn)品都提供了主動(dòng)式PFC，負(fù)載范圍內(nèi)效率高，電源密度高以及還有過壓、過流和過熱保護(hù)。此外，部分型號(hào)還提供先進(jìn)的功能，如熱插拔功能，利于N +1冗余的有源負(fù)載共享，利于可擴(kuò)展的并聯(lián)，以及帶有I2C、PMBus或以太網(wǎng)接口的板載微處理器，以實(shí)現(xiàn)根據(jù)負(fù)載等級(jí)或其他參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)數(shù)字優(yōu)化。

表1.最新引進(jìn)AC/ DC電源模塊，前端DPA應(yīng)用

中間總線架構(gòu)（IBA）

IBA可以說是一個(gè)多級(jí)的DPA，它在前端電源和POL轉(zhuǎn)換器之間插入了另一級(jí)電源分配。過去的十多年演化中，它在DPA中主要是努力提高效率，同時(shí)降低成本和縮減大小。盡管傳統(tǒng)電信DPA可能通過48V背板電壓分發(fā)電源給每個(gè)機(jī)架/陣列中的板上隔離DC/ DC模塊，以提供所有負(fù)載所需的電壓，而在IBA使用單個(gè)中間總線轉(zhuǎn)換器替代了多個(gè)相互隔離的DC / DC模塊，與非隔離式負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器（niPOL）一起提供多電壓。在電氣隔離之外，IBC還提供一個(gè)最佳的中間總線電壓，比如從48 V配電母線中提供12 V的中間電壓。

雖然IBA架構(gòu)比較流行，但并非適用所有應(yīng)用，因此需要仔細(xì)評(píng)估電源系統(tǒng)以確定最佳的電源分配架構(gòu)。因?yàn)椴捎萌?jí)轉(zhuǎn)換，整體效率可能因此降低，并且采用IBC還是采用分離POL模組的成本和面積的權(quán)衡必需進(jìn)行分析。此外，因?yàn)閺V泛采用同步整流，交流/直流前端也能輸出與高電壓效率相同的低電壓，如3.3伏、5伏和12伏（見表1），從而降低了中間總線的需求。在較低的電流下分配較高的電壓，比如48伏，也確實(shí)降低了對(duì)重銅軌/母線和特殊高電流連接器的需求，因此從這個(gè)方面來說，相對(duì)于取得相同功率的高電流低電壓分配方式，節(jié)省了成本也降低了面積大小。

在選擇IBC時(shí)，需要尋找一個(gè)隔離的降壓型DC/ DC轉(zhuǎn)換器，在標(biāo)稱分布總線輸入的整個(gè)范圍內(nèi)提供額定輸出電壓。在德州儀器白皮書“使用中間總線架構(gòu)提高系統(tǒng)效率”中，作者RaisMiftakhutdinov列出了以下需要考慮的要求和參數(shù)，其最重要的目標(biāo)是低成本前提下的高效率和高功率密度：

效率： 96 to 97%（典型值）

功率密度： 》250 W/in3

成本： 每瓦特0.10到0.20美元

輸入電壓范圍：

對(duì)于服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備是43到53伏

對(duì)于企業(yè)系統(tǒng)是38到55伏

對(duì)于窄范圍電信是36 到60伏

對(duì)于寬范圍電信是36 到75伏

對(duì)于醫(yī)療和數(shù)據(jù)中心這樣的高壓系統(tǒng)是380到420伏

功率范圍： 150到600瓦甚至更高

對(duì)于48V標(biāo)定輸入電壓，大多數(shù)流行轉(zhuǎn)換比率是4:1， 5:1， 以及6:1

機(jī)械外形和尺寸：

對(duì)于240瓦輸出功率是1/4磚

小于240瓦輸出功率時(shí)是1/8或小至1/16磚

開關(guān)頻率：相對(duì)較低，大約100到200 kHz

大多數(shù)流行的功率層級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：全橋，半橋

輔助側(cè)整流： 基本全部使用同步MOSFET，自驅(qū)動(dòng)或者控制驅(qū)動(dòng)整流器

控制方法：完全調(diào)節(jié)、半調(diào)節(jié)或不受調(diào)節(jié)

IBC可歸類為上述提到的三種不同類控制方法：完全調(diào)節(jié)、半調(diào)節(jié)或不受調(diào)節(jié)。

完全調(diào)節(jié)的IBC在一系列不同的電源線和負(fù)載條件下維持一個(gè)恒定的輸出電壓。因?yàn)樗梢蕴幚砗軐挿秶妮斎腚妷?，如果配電母線的期望調(diào)節(jié)能力較差時(shí)，就可以采用這種IBC。對(duì)于標(biāo)稱48 V的輸入，完全調(diào)節(jié)IBC可以指定36到75 伏的最小/最大輸入范圍。在所有三種控制類型中，它的缺點(diǎn)是最低效率（典型值為93％）、最低功率密度以及最高成本。

完全調(diào)節(jié)IBC目前的可選件很多，包括愛立信的BMR456和BMR457系列，這兩個(gè)系列也被電子產(chǎn)品雜志授予2012年度最佳產(chǎn)品。智能產(chǎn)品利用固件和通過PMBus的控制來降低功耗，取決于不同應(yīng)用類型，可以降低3?10％的電路板功耗。1/4磚BMR456輸出電壓可以在13.0伏至8.2伏的工作范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，1/8磚BMR457提供13.2 伏至8.2伏輸出電壓，可調(diào)低至6.9 伏。

半調(diào)節(jié)IBC支持與全面調(diào)節(jié)IBC等同的寬輸入范圍，但它的輸出在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)不受調(diào)節(jié)。雖然相較于完全調(diào)節(jié)IBC的效率有所提升（典型值為95％），但半調(diào)節(jié)IBC比不受調(diào)節(jié)的控制方式效率低點(diǎn)，成本也高點(diǎn)。

最后一類IBC提供了一個(gè)不受調(diào)節(jié)的輸出電壓，以固定的比例隨輸入電壓而變化。例如4：1的固定比率IBC，在輸入電壓范圍窄至36至60伏時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)9伏至15伏的輸出，這種類型IBC的效率最高（97％典型），功率密度最高，并且成本也最低。

近期全行業(yè)范圍內(nèi)的采用半調(diào)節(jié)和不受調(diào)節(jié)IBC時(shí)造成的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題，極大地限制了這些類型IBC的購(gòu)買和使用。德州儀器基于UCC28230高級(jí)PWM控制器的UCC28230EVM是一款少有的仍然可以買到的相關(guān)產(chǎn)品。該評(píng)估模組展示了一個(gè)300瓦、效率96％的不受調(diào)節(jié)總線轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，在43 V至53 V的輸入電壓范圍內(nèi)輸出9.6伏的標(biāo)稱電壓。

非隔離負(fù)載點(diǎn) （niPOL） DC/DC轉(zhuǎn)換器

通過AC/DC前端來完成基本隔離，以及IBA中的IBC來提供完全隔離，外形小且性價(jià)比高的niPOL也可用于負(fù)載供電。當(dāng)前的DSP、FPGA和ASIC需要越來越低的POL電壓以及大輻上升的電流，為適應(yīng)這些趨勢(shì)DC/ DC轉(zhuǎn)換器需要更嚴(yán)格的調(diào)節(jié)和更低的噪聲表現(xiàn)。幸運(yùn)的是，電路板設(shè)計(jì)師擁有很多不錯(cuò)的選擇，比如線性穩(wěn)壓器，開關(guān)穩(wěn)壓器，以及二者的結(jié)合。

如果可能的話，選擇線性穩(wěn)壓器直接為信號(hào)調(diào)節(jié)和信號(hào)處理元件提供電源。所有電壓調(diào)節(jié)器都將產(chǎn)生噪聲，但線性調(diào)節(jié)器內(nèi)在的特性保證它比DC-DC轉(zhuǎn)換器的另外一個(gè)選擇開關(guān)穩(wěn)壓器生成更少的噪聲。線性穩(wěn)壓器也能提供良好的電源紋波抑制比（PSRR）。任何開關(guān)模式電源的開關(guān)頻率下，高PSRR規(guī)范在送入線性穩(wěn)壓器的輸入端時(shí)將有助于衰減該開關(guān)噪聲，所以噪聲不會(huì)被引入信號(hào)鏈中從而造成干擾的問題。這種技術(shù)被稱為后調(diào)節(jié)。附加濾波可能需要在高頻時(shí)抑制噪聲，因?yàn)镻SRR隨著頻率增加會(huì)逐步回落直至降低為0分貝。

德州儀器TPS7A4700是一個(gè)低噪聲、1-A低壓差線性穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍很寬，為3?36 V，輸出電壓則為1.4 V至20.5 V，并且具備超低噪聲（4.17μVRMS）和高PSRR值（1kHz時(shí)80-dB）。該器件是運(yùn)算放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），以及其它高性能模擬電路的理想供電選擇。

線性穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是，它們電源轉(zhuǎn)換效率有限，因此會(huì)生成熱量?？梢允褂霉絇diss=（Vin – Vout）*Iload 來計(jì)算應(yīng)用中的電源散熱，并將所得瓦數(shù)與封裝的熱額定值進(jìn)行比較。如果結(jié)果看來將出現(xiàn)散熱問題，就需要選擇更耐熱的增強(qiáng)型封裝，比如QFN，或考慮使用開關(guān)轉(zhuǎn)換器來代替。一般來說，這種情況下，負(fù)載電流會(huì)持續(xù)比1A大不少。不過，也有1.5-A，2-A和3-A等常用額定線性穩(wěn)壓器。

隨著輸入和輸出電壓差的增大以及負(fù)載電流的增加，開關(guān)DC / DC轉(zhuǎn)換器提供比線性穩(wěn)壓器更高的效率。在選擇開關(guān)時(shí)需要考慮幾個(gè)因素。首先，尋找低的輸出電壓紋波，一般來說應(yīng)該低于30 mVpp。如果需要更平緩的電源，應(yīng)該在開關(guān)后面加入線性穩(wěn)壓器以進(jìn)行后調(diào)節(jié)。其次，選擇一個(gè)較高的開關(guān)頻率，以實(shí)現(xiàn)更小的封裝和更好的瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)也避免了較低頻帶時(shí)的噪聲，因?yàn)檫@些噪聲可能是破壞性的。另一個(gè)期望的特性是考慮開關(guān)頻率同步。同樣的，在一個(gè)具備多轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)中，不匹配的開關(guān)頻率能產(chǎn)生一種叫做拍頻現(xiàn)象的干擾。同步調(diào)節(jié)器的開關(guān)頻率能防止拍頻現(xiàn)象的形成。此外，它有助于讓系統(tǒng)內(nèi)生成的EMI保持在一個(gè)可預(yù)測(cè)的頻率組。

同時(shí)考慮一下，目前的設(shè)計(jì)正在采用FPGA和DSP，這些設(shè)備正在推動(dòng)技術(shù)走向極限，會(huì)造成一些意想不到的結(jié)局。一個(gè)給定的器件可能需要加電順序，軟啟動(dòng)或電源狀況指示以正常運(yùn)行。現(xiàn)代電源管理方案具備這些綜合能力。表2列出了各種開關(guān)DC / DC降壓轉(zhuǎn)換器，以及niPOL理想的特性。

表2： niPOL的開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器

如果電路板空間十分寶貴，考慮一下現(xiàn)代電源管理解決方案，將開關(guān)DC / DC轉(zhuǎn)換器和后調(diào)節(jié)線性穩(wěn)壓器集成到一個(gè)單一的小型封裝中。其中一個(gè)案例是TI的TPS54120。該器件組合了高效率開關(guān)DC / DC轉(zhuǎn)換器和低噪聲、高PSRR低壓差線性穩(wěn)壓器，支持1-A、噪聲敏感的應(yīng)用。該TPS54120還包括開關(guān)頻率同步、軟啟動(dòng)和電源狀況指示燈，采用3.5毫米x5.5毫米的緊湊空間以及熱增強(qiáng)型QFN封裝。

總結(jié)

現(xiàn)代DPA的復(fù)雜性在增加，許多新的因素需要考慮，包括標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，知識(shí)產(chǎn)權(quán)，以及不斷演化的趨勢(shì)。貿(mào)澤致力于幫助設(shè)計(jì)師提供DPA不同階段所需的主要組成部分，以及許多被動(dòng)和機(jī)械組件，從而綁定到一起形成完整方案。