分比式功率——配合未来电源发展的架构
Vicor公司应用工程师 刘广缘
近年电子及数据产业的发展及分布式供电系统的推广， DC-DC转换器的应用越来越广， 新的微处理器、记忆体、DSP及ASIC都趋向要求低电压、大电流供电。 面对新世代的电子器件和负载，电源业要面对重大的挑战，产品除了能在低电压输出大电流外， 还要做到体积小、重量轻、动态反应快， 噪声小和价钱相宜。 这些需求促使业界重新审视现有和架构。
电源架构的发展 （CPA）
集中式电源，这是zui基本的电源结构，简单、成本轻。它把从前端到DC-DC转换的功能集中在个框架， 减少占用负载点的电路板空间， 避免串接作多次功率转换，效率较佳，也相对能处理散热及EMI问题。 设计师也需要在I2R功耗与EMI两方面平衡考虑，决定电源与负载的距离。虽然集中式电源在很多应用上运作良好，但对要求低电压、多个负载点的应用，不是很适合。
分布式架构 （DPA）
自80年代，电源模块面世后，分布式架构被采用，成为zui常用的架构。（砖式的电源模块齐备了DC-DC转换器的三项基本功能: 、变压和稳压，工程师可以把电源模块置在系统电路板上，靠近负载供电。分布式架构是由较粗糙的DC母线（般为48V或300V）供电， 再由放置在系统电路板旁的DC-DC转换器转换成合适的电压为负载供电。这种布局可以改善系统的动态反应，避免整个系统在低电压操作所产生的问题。
分布式电源的成本般较，尤其是在负载数目多的情形下，需要占用较大的电路板空间。而且在每个负载点都重复包括、变压、稳压、EMI滤波和输入保护等功能，模块的成本自然增大。
中转母线架构 （IBA）
中转母线架构 （图1） 弥补了分布式电源架构的缺点。它把DC-DC转换器的、变压及稳压功能分配到两个器件。 IBC （中转母线转换器） 具变压及功能。niPoL （非负载点转换器） 则提供稳压功能。 IBC把半稳压的分布母线转为不稳压及的中转母线电压（般是12V）， 供电给连串的niPoL。 niPoL 靠近负载， 提供变压及稳压功能。IBA 的理念是把母线电压降至个稍稍于负载点的电压，再由较便宜的降压器（niPoL）来完成余下的工作。降压器（niPoL）经由电感器传输电压到负载，这电压相等于上开关和下开关共同端电压的平均值，等如上开关电压占空比与中转母线的乘积。
中转母线架构的问题是令IBC和niPoL均能操作的条件是互相冲突的。 图2比较了多个把48V分布母线转为1V用的方法，各分布母线的宽度了所带的电流。
*个例子显示由48V直接用niPoL转为1V，虽然电流和功耗都很少，但niPoL的占空比只有2%。占空比太低，会引发峰值电流，输入输出纹波太大，瞬态反应慢，噪声及功率密度低等问题。
第二个例子，以IBC转换48V母线至12V中转电压，niPoL的占空比是8%，改进不大。而IBC所带的电流比*个例子四倍。避免分布损耗，母线的截面面积需增大16倍，或缩短IBC与niPoL的距离。
余下两个例子显示利用IBC转换48V至3V或2V。电压越低，占空比越。但中转母线电流亦越大，分布损耗多。由于母线电流，在这两个例子中，IBC与niPoL 要靠得很近。在2V的例子，niPOL的占空比是5, 很好, 但此时IBC要跟着niPOL的尾巴走, 彼此靠近得如同整体是个DC-DC转换器,说明将DC-DC转换器分开两个器件的甩的在IBA是达不到的， 重复分布式架构的困局，不能发挥IBA的优点。
IBA的另个问题是niPOL的瞬变反应。niPOL能否地按负载变化加大或减少电流呢? 它的根本难处是它把电感器放错了位置。
电感器内的电流变化率由加于电感器上的电压决定。在低电压应用时，当负载处于大电流状态，它的电流变化率受输出电压所限。当输出电压越低，电流变化率越小， 需要长的时间减低电流，即越难停止电感的惯电流，复原的时间亦长，需要在输出加上大电容。
在niPOL前放置的大电容， 虽负责滤波及维持低阻抗， 但对负载旁路效果不大。 由于电感的位置不当，产生电流惯，因此需要在输出加上大电容以保持稳定。
总的来说， IBA架构内存在固有的互相抵触的效应，它的根本原因可追索到基本的奥姆定律，只能在某些范围内折冲使用。 但对另些应用，以上提到的缺点便浮现出来了。
