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低电压大电流趋势推动模块电源变革
内容导读:
低电压大电流趋势推动模块电源变革
 需求推动技术的变革。在分布式电源架构(DPA)和中间总线架构(IBA)及"砖式"标准流行多年后,模块电源行业面临又一次变革。怀格公司(VICOR)创新地推出分比式电源架构(FPA,Factorized Power Architecture)及相应的V·I芯片实现,试图推动模块电源业的另一场变革。怀格公司的应用工程总监Tom Curatolo向我们细述了模块电源技术的演变、目前面临的问题及技术变革的必要性。
  过去,为了适应系统日趋复杂及对需求多种电压的趋势,电源供给系统经历了集中式架构、分布式架构及中间总线式架构等变化,标准化的电源模块产品也为这些架构也提供了拿来就用、可随意搭配的灵活性和便利性。但目前电子系统对电源的要求出现了新的变化,主要是负载点的电压越来越低,向1V以下发展,而电流越来越大,冲向数十安培甚至100安培的水平。这主要是因为功能芯片的集成度更高,计算强度大,因此消耗更多的电流,因此必须降低电压而减少由此引起的功耗增加。


  图1. 采用FPA架构可解决IBA架构面临的负载点转换器效率低及IBC与POL之间传输损耗大的双重问题。

  以最新的IBA架构为例:这种架构通常采用一个中间总线转换器(IBC)和多个非隔离式负载点转换器(niPOL)组成。在48V至1V的具体应用中,IBC之后的中间总线电压可选择不同的值,如12V、3V或2V。在选择12V中间电压时,niPOL需将12V转换为1V。对于非隔离式负载点转换器,由于它主要通过内部开关的操作进行降压和调整,因此转换电压的差值很大时内部开关电路的占空比极小,效率会大大降低。在12V至1V的转换中,效率通常不到10%;若选择2V的中间总线电压,虽然niPOL的效率提高(但亦只有50%),但是要传送相同功率的能量,IBC与niPOL的电流相应地成倍增加,因此IBC必须尽量靠近niPOL,以降低铜导线的损耗。但是,在IBA架构中,IBC需要向多只niPOL供电,因此IBC不可能靠近所有的niPOL。因此,总体来说,在电压低、电流大的情形下,IBA架构面临着不可逾越的障碍。



图2. FPA架构与IBA架构相比,由于大幅减少了滤波/旁路电容值从而大幅提高瞬态响应速度。

  VICOR公司的FPA架构看起来好像是将IBA的架构倒置过来,在前端采用非隔离式的预稳压模块(PRM,Pre-Regulated Module),负载点采用隔离式的电压转换模块(VTM,Voltage Transformation Module)。它的好处是:
  1. FPA与早先的DPA相比,多了一个PRM。PRM通过预稳压,降低了VTM的稳压要求,因此有利于采用更低成本、更简单结构的隔离式转换技术。
  2. 采用内部变压器实现的隔离式转换器在转换压差很大时仍能保持很高的效率。
  3. 相对IBA来说,由于IBA在IBC和niPOL处都需要大值电容来滤波,因此应付输入电压快速变化的动态响应能力较差。而FPA仅在PRM输出口需要较小值的电容,因此动态响应大幅提高。
  VICOR公司以名为"V·I芯片"的系列产品为FPA架构提供实际的解决方案。VICOR公司将多种先进的技术和工艺用于VICOR芯片,实现了更高水平的功率密度和效率。VICOR芯片系列采用整齐一致的封装形式和尺寸,试图推行一种类似"砖式标准"的新标准。实际上,V·I芯片即用于FPA架构,也用于IBA架构。
  V·I芯片的核心技术继承了VICOR公司一贯采用的零电流和零电压开关技术。它采用一种特别的电源转换拓扑结构,使开关的操作都在零电流和零电压的瞬态执行。它容许模块在高频率下工作,减低噪声及提高效率。它的着眼点是传送等量的能源到输出端,减少开关损耗和开关元件的电、热冲击,容许模块在超过1MHz下工作。因此,采用零电流或零电压开关技术的转换器都具备效率高、可靠性佳、功率密度高、反应迅速、低传导和辐射噪声及散热配置简单等优点。新一代VICOR芯片的输出功率可达200W,采用0.25立方英寸以下的小体积BGA封装,功率密度达800W/立方英寸,效率达95%,瞬态响应为微秒级。

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来源:EDN电子设计技术 作者: 时间:2005/9/4 13:36:00
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