什么是Factorized Power Architecture——突破传统的分布式电源结构

电子设备或系统的发展对所需的电源要求持续增加，系统需要的电源规格不一，但大致发展趋势是输出不断增多及分散，负载瞬变更快速，负载电压较低而电流却极大，以及电路板趋向密集。设计师不得不去寻找一些细小封装、高效率、高电流密度的DC-DC转换器，还需顾虑不断压缩的成本。目前市场上的功率产品及相应的功率结构已被应用尽至，达到它们所能发挥的功能极限，很难再进一步改良。本文要介绍的是一项创新的电源功率构筑——分比功率架构(Factorized Power 或 Factorized Power Architecture)，简称FPA及实现这项架构的崭新功率组件——V·I芯片(VICs)。
首先回顾开关电源面世后的应用发展情况，起初的电源是集中式的(Centralized Power)，即系统全由一个独立电源供电，它的优点是成本效益佳，散热及电磁兼容可容易集中处理，及它不占系统上其它电路板空间；但是很难传输或分布低电压高电流，动态响应劣，要更变设计则须重新做一台电源，即不适合作“规模可变”(Scalable)设计。后来高密度“砖块式”的DC-DC转换器部件或模块面世后，促成分布式功率架构(Distributed Power Architecture)的发展，这在通讯领域的应用尤为显著。通讯设备常由一片一片电路板插咭组成，不难想象，需要分布式功率。这种电源架构能简单地作并联、冗余设计，完全可以更变规模，并且瞬变响应优越；但是成本提高了，功率的分布应用一连串的模块，隔离、稳压在电路上重复又重复，EMI滤波及输入保护也在电路多个节点重复，电路板被占用了不少的“电源空间”，这迫使分布式功率演化出一项分支称为中转总线架构 (Intermediate Bus Architecture)，它的特征是由一个隔离式“砖块”部件或总线转换模块(IBC)供电给一连串的非隔离负载节点转换器(niPOL)，niPOL靠近负载发挥电压转变及稳压，很多更具备同步整流因而效率高，价格也相宜，成本相对下降，这种架构才出现了不久。
但它存在几项严重缺点不易克服；如总线转换器需靠近niPOL，仍占去不少电路板面积。niPOL不备隔离作用而使负载面对潜在高压危险，不隔离在电路上布线也较困难，需注重回路环路、噪声耦合等难题。中转总线电压(Intermediate Bus Voltage)通常为12V，该电压要顾及两项取舍；对高效功率分布，12V电压是过低，传输或分布功率时电流大、损耗多、极为不利。另一方面，对开关转变电压来说，12V则为太高了。12V转到1.2V的开关动作占空比在10%左右，不利高效益的niPOL转换器设计。上述两方面相抵触，中转电压很可能在不同场合需要专门选定，例如12V， 5V， 3.3V。意味系统的将来发展难具简易统一性。此功率分布方式似不是长远的理想选择。
一项创新的功率转换方式已由Vicor公司发展开来，称为分比功率架构 (Factorized Power Architecture)，能大幅改进功率系统的性能、成本、可靠性。它由相关的崭新组件称为V·I芯片来实现。V·I芯片目前有两种，分别为预稳定压模块(PRM)及电压转变模块(VTM)。要了解它们是什么，先回顾功率转换的三个基本功能组成，即隔离、变压、稳压。一个完整的DC-DC转换器具备这三项功能，中转总线转换器(IBC)则通常只具隔离及变压功能，而niPOL转换器则存在变压及稳压功能，IBC及niPOL合起来当然就能实现全三项功能并且重复了变压功能，是一种最少两级的电压转变串成方式，如前文所述，中转总线电压不好选定。
相反，PRM只有稳压功能，VTM则只具变压、隔离功能，PRM及VTM合起来就更能简易实现全功能DC-DC转换器，它们就组成了突破性的分比功率架构——Factorized Power Architecture或FPA。图1显示该功率分布方式的功能组成。
该架构的首个模块为预稳定压模块(PRM)。它把输入直流稳压，输出稳压的分比总线(Vf)，这个非隔离PRM器件效率高至99%。由于后面有隔离功能，Vf可被提高，从而电压的分布输送的I2R损耗较低，因此PRM可远离负载点，即使是放在另一片电路板也可以，经验设计师可体会到这是个极大设计优势。负载节点上转换器为电压转变模块(VTM)，它把稳压而非隔离的PRM输出作降压或升压输出，并提供微电隔离，输出电压由其K比值决定，VOUT=Vf?K。VTM效率可高达97%，具特显的动态响应及噪声特性，80%负载阶跃在100A/ms情形下，VTM能在200ns内反应，1ms内沉定，速度惊人，对于一些高速的微处理器供电，设计师大可改用PRM-VTM组合代替标准电压稳压模块，能去除大量高成本，易损坏的负载端电容。

VTM内部为零电压/零电流开关(ZVS/ZCS)拓扑，固有地产生较低共模、差模噪声，一个48V至12V的VTM输出只带1mF陶瓷旁路电容下，高频纹波只有12mVpp(输出的0.1%)，表现远胜传统DC-DC转换器相应处。VTM的输出阻抗极低，低电压单元只有约1mΩ，故即使在开环模式下，VTM的负载调整率也只是 /-4%的数量级。PRM-VTM更可作死循环操作进一步强化稳压率。图1所示就是死循环的使用，PRM对应负载变化而控制输出Vf，Vf被上下微调以补尝VTM的输出阻抗效应(如上所述约为 /-4%)，VTM的任务是变压及隔离，PRM-VTM结合实现紧密稳压、高效率、低噪声及快速瞬态响应等性能，这些都是难能可贵的表现。

FPA的几项应用例子。参考图1、2、3示意，前文已述，图1为死循环应用情形；图2为开环的简单应用，负载调整率是 /-4%左右，已相当不错；图3为单个PRM驱动多个VTM的应用，只需将最需要紧密稳压的负载电压反馈到PRM作死循环，图中VTM对负载1输出精确电压。负载2及3仍能达 /-4%调整率。PRM-VTM还有很多其它的组合应用方式，极尽灵活，此处未能尽录。

VTM更可以并联而且竟能不需均流控制！细看其资料显示它具双向传输功率能力，技术含量极为领先。PRM-VTM实行的分比功率架构(FPA)灵活性非凡，预示电源的应用将会有新景象。

PRM及VTM都是球状网阵(BGA)封装器件，板内置放仅为4mm高，试比较标准1/4砖模块穿孔置放时为12.7mm高度。占用的电路板面积：PRM或VTM为6.5cm2，而1/4砖模块为21.3cm2。尺寸体积够小了(图4)，功率又如何，一个双芯片组合(单个PRM及单个VTM)能达500 W/in3系统水平功率密度，而在负载节点，密度更大于1000W/in3，等价于近500A /in3 的电流密度。现知道VTM的最大功率和最大电流分别为200W及80A。

总结：分比功率(FPA)是突破传统的功率分布方式，由BGA封装的V–I芯片实行，重新调配了功率转换的功能(变压、稳压及隔离)，这种架构强化功率系统的性能、可靠性、灵活性，而成本却反而下降。

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图1 分比功率: 隔离功能移近负载节点，Vf总线提高，产生多项优点: 强化性能、增加可靠性、减少组件、增强灵活性。

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图3：FPA应用的灵活性，PRM驱动多个VTM，死循环操作提供紧密稳压到负载1；负载2及3调整率仍能是 /-4%数量级。
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