分享現(xiàn)代分布式電源架構的關鍵技術挑戰(zhàn)及應對措施的方案設計

為了在保留緊湊磚型模式的同時縮減電源尺，電源制造商必須降低磚型模塊的高度并(或)盡量將外部的供電元件移至磚型模塊內部。但同時采取上述兩種做法卻給電源設計者帶來了諸多挑戰(zhàn),其中包括：如何處理高功率密度所需的散熱問題，如何將所有必要組件集成在有限的空間內等等。本文介紹了現(xiàn)代分布式電源架構的關鍵技術。

你如何為目前的電信、數據通信、醫(yī)療和工業(yè)應用負載提供所需電力？是從墻角插座獲取呢還是從主電源分離而來？在過去，主要的電源架構包括一個集總式電源單元，然后通過電纜與電源母線網絡在整個系統(tǒng)中實現(xiàn)分布式電源，但隨著電力需求發(fā)生變化，系統(tǒng)的電源拓撲結構也在更迭。因為功耗需求不斷增加，半導體器件要求電平越來越低，為支持數字處理技術需要更好的電源性能表現(xiàn)，同時與電力電子制造商可用的先進產品相結合，目前正在實施的電源分配架構也更復雜。現(xiàn)代分布式電源架構（DPA）可以將集中的熱量分散到整個系統(tǒng)的不同地方，在極低電壓的前提下支持大電流，并為快速變化的負載提供出色的瞬態(tài)響應。其他優(yōu)點還包括靈活地增加電壓或電流需求，以及在某個負載節(jié)點失效時系統(tǒng)可以繼續(xù)進行。在三個目標（整體性價比，最小目標尺寸，以及高效率）的要求下，目前卓越的DPA需要注意三大主要考慮點（如圖1所示）——交流/直流前端電源，直流/直流轉換器的負載點，以及中間總線架構（IBA），還有這三點的相互結合。讓我們仔細看看每一考慮點的功能屬性，并且研究目前已上市的一些產品，為設計師提供一些建議。

交流/直流前端電源

在托馬斯愛迪生、尼古拉特斯拉、喬治·威斯汀豪斯時代，曾進行過公用輸電和配電系統(tǒng)是采用AC還是DC的爭論，最終因為其長距離傳輸的較低損耗，AC從中勝出。目前的電子設備主要由直流驅動，需要將電壓為80到265伏、頻率為50到60赫茲的單相波形交流電轉換為墻壁插座所需的直流電源。前端AC / DC轉換概念本身相當簡單；通過一個變壓器將高壓交流電源線調整到一個更易于管理的電壓，一般是一個正弦交流（0伏值）低電壓，再通過整流橋，生成與交流振幅等同的駐波波形直流電壓，并加入一個大電容來平滑該電壓。該平滑電壓隨后通過一個DC / DC轉換器來實現(xiàn)系統(tǒng)所需的穩(wěn)定直流總線電壓。交流/直流前端的典型輸出直流電壓，對于電信系統(tǒng)是48伏，對于數據服務器是12伏和24 伏，對于一些數據通信和醫(yī)療設備甚至是400伏（歐洲部分地區(qū)使用三相400伏交流輸入）。

當前AC/DC變換主要挑戰(zhàn)來自兩大因素：功率因數校正（PFC）和諧波濾波。給定的AC/ DC電源功率因數的計算方法是負載得到的實際可用功率與電力網提供的視在功率之間的比值。該因數可以用于衡量功率損耗。它也可以測量諧波失真，這些失真很大程度源自整流和平滑階段AC輸入電流波形轉變?yōu)橹绷鲿r出現(xiàn)的失相和非正弦信號。

低功率因數（相對于理想時的功率因數）的缺點包括電力公用事業(yè)公司無力承擔怠性功率（非真實）消耗，諧波回注電網時可能導致服務中斷，以及諧波引發(fā)設備振動時會造成安全隱患。

因此，傳統(tǒng)的簡單好用的設計已經無法滿足PFC和諧波濾波的需求，已經引入了標準和法規(guī)，如大于75瓦功耗產品需要遵循EN/ IEC61000-3-2標準。在國際上，功率因數大于0.9的電源規(guī)范需求越來越強烈，同時也希望盡量限制總諧波失真。最簡單的PFC方法一般包括在AC輸入端加入電容濾波器，盡管會導致功率因數難以大于0.7，因此它更適合于恒定載荷。目前更嚴格的PFC要求，包括需要支持現(xiàn)代半導體的快速和高負荷變化，這也意味著需要采用主動式PFC，通常實現(xiàn)方式是在橋式整流和濾波電容器之間加入升壓轉換電路。

在PFC要求越來越高的同時，能效標準也越來越嚴格，哪怕是PFC會降低效率。各種大量的特定應用監(jiān)管標準規(guī)定顯示了在所有負載范圍（滿負荷到低至10％的負載）內都需要高電源效率。結合需要適應不斷演化的法規(guī)以及具有競爭力的成本時需要實現(xiàn)每立方英寸功率效率的持續(xù)壓力，當前的系統(tǒng)電源設計人員有足夠的理由來尋找一個簡單的解決方案。幸運的是，目前已經存在完整的AC / DC前端電源模塊，可以簡化DPA的前端設計，這些模塊如表1所示（下半部分會介紹）。這些產品都提供了主動式PFC，負載范圍內效率高，電源密度高以及還有過壓、過流和過熱保護。此外，部分型號還提供先進的功能，如熱插拔功能，利于N +1冗余的有源負載共享，利于可擴展的并聯(lián)，以及帶有I2C、PMBus或以太網接口的板載微處理器，以實現(xiàn)根據負載等級或其他參數的實時監(jiān)控和動態(tài)數字優(yōu)化。