电源分配结构的三大转变为电源管理技术开创新局面

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随着信息系统结构的急剧发展，电源分配结构也出现翻天覆地的改变，本文主要讨论电源分配结构三方面的转变，包括：中间总线结构、数字控制技术以及采用负载点电源管理技术的新趋势。

        由于系统设计工程师不断提高转换器的性能及功率密度，因此传统功率转换技术渐渐被中间总线结构(IBA)这类全新的电源分配结构所取代。中间总线结构是最新推出的结构，可以控制复合式电源系统内多条不同的低电压供电干线。这类复合式电源系统一般都会采用ASIC、数字信号处理器(DSP)及现场可编程门阵列(FPGA)，是电信系统、汽车电子系统及工业应用系统普遍采用的电源供应系统。

图1：传统式电源分配结构采用已隔离的多输出模块式直流/直流转换器，             而且每张插卡分别设有自己的转换器，但仍然无法满足日益增多的要求。

         IBA结构采用隔离的总线转换器，由高压电源分配干线提供供电，并通过典型电压介于8伏至14伏之间的“中间”低压配电总线为负载点的多个非隔离稳压器提供馈电。由于IBA结构采用两级的功率转换，因此总线转换器及负载点稳压器必须更有效率，而且体积必须更为小巧，确保能够安装在面积较小的电路板上，只有这样IBA结构才可充分发挥其优势，成为远比一级电源分配系统优胜的另一选择。

        本文主要讨论电源分配结构三方面的转变：例如中间总线结构的面世；数字控制技术的出现；以及采用负载点电源管理技术的新趋势。以上的每一个转变都可视为电源分配技术的一个新突破，让系统的使用寿命和性能可以提高至前所未有的水平。

中间总线结构

        从系统设计的角度看，电源管理技术大约在五年前便进入一个转折点。对于台式的电信及数据通信设备来说，利用风扇散热的散热方式已到了成效无法进一步突破的极限。

        这些年来通信设备的带宽不断提高，信息内容也越来越多样化，但仍然无法满足广大用户的要求。用户的要求越高，通信设备便要加设更多数字信号处理器、现场可编程门阵列以及数字特殊应用集成电路，以致负载数目越来越多，加上负载本身也越趋复杂，令传统的电源分配结构无法满足新功能的供电要求。图1所示的传统式电源分配结构采用已隔离的多输出模块式直流/直流转换器(砖块)，而且每张插卡分别设有自己的转换器。这个结构的每一负载电流都相当高，令每一转换器砖块与每一负载点之间的个人电脑电路板线迹出现IR压降，导致电压极不稳定。

        解决办法是将隔离屏障、降压及负载点稳压分为两个不同的转换级，以取代多输出转换器砖块。这个结构上的改变(参看图2)也有其本身的问题要解决；例如，每一转换级必须占用不超过原有解决方案体积的一半空间，而且整体来说串行组合也必须能够发挥更高的效率。

        这个结构一般采用成本较低而稳压效果较差的初级转换级执行绝缘及降压功能，而负载点附近则另有效率较高的高精度次级转换级。这个初级转换级称为中间总线转换器(IBC)。一般来说，中间总线转换器会为变压器设定“伏×秒”这个恒定乘积，以稳定线路电压，但负载点稳压的效果一般都差强人意，电压波幅一般约为±10%。

        整个稳压过程通常就在初级线圈内完成，初级线圈更负责监控由初级线圈按照匝数比反射至辅助线圈的输出电压。系统启动后，辅助线圈也会为初级线圈控制电路、驱动电路及稳压电路提供供电。相比之下，设于负载点的稳压器可以为负载提供极稳定的稳压效果，电压波幅一般不会超过±1%，而且不用隔离。电信系统的初级线圈电源分配总线都在-36至-72伏的电压范围内操作，而数据通信设备的总线则在+43至53伏的电压范围内操作。中间总线的操作电压通常介于8至14伏之间。

        电源分配结构出现这样重大的改变之后，集成电路、稳压器及模块式直流/直流转换器也受其影响而飞速发展。最近业界更积极讨论为负载点稳压器制定一个业内标准。

        目前业界已成立了三个联盟组织(电源分配开放式标准联盟(DOSA)、负载点联盟(POLA)以及电源制造商商会(PSMA)的板上贴装电源(BMPS)计划，努力为封装及接口制定通用的业界标准。这个发展也导致供应链出现微妙的变化，部分供应商开始推出与以往不同的产品。例如，半导体制造商开始生产模块式功率转换器，而电源供应器制造商开始自行设计硅片并在这个基础上推出采用CSP封装的稳压器。

图2：中间总线结构每一转换级的体积必须不可超过原有解决方案体积的一半。

数字系统的供电

        数字控制系统在成本、设计灵活性及可靠性等方面都有很大的优势，这是采用数字控制技术的三个主要原因。由于工艺技术越趋精密，芯片体积也越趋细小，因此数字集成电路可以采用更小巧的无封装裸片，令数字芯片的功耗比模拟芯片少。

        此外，数字控制系统还有更强的噪音抑制能力，以及能充分利用先进的自适应快速控制功能，让设计电源供应系统的工程师可以采用电源因数调节技术及谐振转换布局。由于这两种新技术较为复杂，因此模拟控制系统一直无法充分加以利用。但舍弃模拟控制改用数字控制是一个风险颇大的转变。

        部分保守的电源供应系统设计工程师多年来一直采用模拟控制系统，甚至因为惯用模拟系统而变得因循守旧。对于他们来说，数字控制是一个全新的概念，也是一种全新的工具。例如，提前/滞后补偿要改为比例积分导数(PID)控制。取样理论及时域分析成为常用的工具，而客户也预期复杂的图像用户接口能输入控制系数以及模拟供电系统的性能。

        一直以来，数字控制技术主要用于一些特殊的应用系统，例如部分应用的负载系统时间常数相当长，有足够的时间容许即时计算脉冲宽度及参考对照表，所以一直以来数字控制技术主要用于这类系统。设有电源因素调节功能的充电系统，例如电话交换机的整流器，便是一个好例子。

        医疗设备是另一充分利用数字控制技术的领域。美国食物及医药管理局(FDA)对病人可以承受的高能辐射量有非常严格的规定。数字控制系统具有可重复运作及自动校正等优点，因此是医疗设备的首选控制方案。


供电系统是否容易让人管理

        由于电源分配结构的负载数目不断增加，而且负载本身也越趋复杂，因此系统设计工程师必须解决负载电源的管理问题。像现场可编程门阵列及数字信号处理器等复杂负载尤其需要电源供应系统为其核心及输入/输出分别提供不同的供电。

        根据摩尔定律的预测，核心处理器将会越趋小巧精密，而且通常以1伏或更低的电压操作，但输入/输出则受制于通信接口标准，只能以传统的电压(例如3.3或5.0伏)操作。由于这些子电路通常都被集成电路内置的反向偏压静电释放二极管所分隔，集成电路的供电必须按照特定的次序提供及终止，而且系统必须跟踪供电情况，以免电路出现锁定及损毁。

        此外，复杂的负载在进行自动测试时经常需要加以“边际电压调节”，甚至要向高能源效益系统提供有关负载状况及其最新功耗量的资料。“操作期间控制”功能便是这样的一种技术。每当核心获得电源供应时，供电电压会顺便跟踪其时脉，以便为核心提供足够的供电，确保核心可以完成正在进行的工作。电源管理能力就是可灵活配置电源供应系统的一种能力，以便系统可以充分利用感测数字如温度、气流或信号完整性，以及自动为传感器这些感测数字提供补偿。

        如果分立式电源管理系统占用越来越多电路板空间，以致占用面积几乎接近输电系统的面积，我们便必须采用集成式供电系统管理技术。电路板的空间非常宝贵，用于管理供电系统的空间增加，也就表示用于支持信息内容及带宽的空间会受到压缩，因此我们也就不得不采用更高度集成的电源管理系统，以致最后不得不采用一个可支持诊断、内置测试及供电系统配置等功能的通用标准。另一个使我们必须采用集成式电源管理系统的原因是只有这样系统才可进行高功率操作，保持高度的稳定性及确保不会出现故障。

        总而言之，电源管理技术不仅有用，且日渐受到重视。系统到头来能否真正发挥卓越的性能，很多情况下取决于所采用的电源管理技术，因此懂得电源管理技术真正价值所在的半导体厂商都在构思电源管理结构的最初阶段便征询客户的意见，了解其要求，不会在开发周期的最后阶段才与其客户磋商，因为到了这个阶段，可以改善的空间已不多。电源分配结构技术的最新发展充分显示厂商与客户的密切关系，换言之，双方越早合作，新技术便越能满足客户目前及长远的要求。如欲更进一步了解有关美国国家半导体的电源管理产品，可浏览power.national.com网页。