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低电压电源系统的发展趋势

（灿涛编译）

　　过去的十年时间里，大多数电子设计人员都逐渐放弃了集中式供电方式。电路板上的砖式DC/DC电源转换器提供了更为灵活的解决方案。现在，这种方法又正在被基于中间总线结构的电源输送系统所代替。

需要多种低电压电源

　　今天的大多数电子系统都采用板上砖式DC/DC转换器来产生隔离的低电源电压，然后通过电路板上的导线为电路板上不同的芯片负载供电。但为了提高性能，许多最新一代的ASIC和FPGA器件采用了比前一代器件速度更快、密度更高的内核处理器，并采用了更低的工作电压。电压低于3.3 V的器件突然流行，迫使设计人员在分布式电源结构(DPA)方面走得更远，并开始采用一种中间电压总线结构和多种非隔离负载点(niPOL, non-isolated point-of-load)电源转换器。图1为采用niPOL电源转换/稳压器的典型分布式电源结构。
　　在计算机和电信领域，设计人员面临相当大的挑战，他们需要在越来越小的空间内实现更多的功能，所以这两个领域中对高端半导体器件的需求特别迫切。然而，由于新器件是逐渐推出的，因此几乎所有的电路板设计中都混合采用了需要多种不同电压的老器件和新器件。3到6种不同的电源电压需求是很平常的，而笔者最近甚至看到了需要多达12种电源电压的服务器设计。

更大的工作电流

　　直到最近，设计人员经常通过在直流稳压电源输出上接几个简单的器件来满足有些芯片的低电压要求。但是，伴随更低的工作电压而来的是更大的工作电流，几年前的低电压供电需求的是5V、数百mA的电源，而今天的高端器件则可能需要电源能够提供低至0.8V的电压和高达30A的电流。此外，为最小化损失和保证高稳定性，此类电源应该利用位于负载器件附近的非常紧凑的电源转换/稳压器件产生，而不是利用通过导线从电路板上离得较远的电源输送过来。过去基于分立器件的简单电源供电方法已经一去不复返了，现在我们越来越依赖于专业化的高效率直流转换技术。
　　看起来，这些因素似乎需要在电路板上采用多个砖式DC/DC转换器。但是，多个砖式直流转换器每个都有成本高、体积大的磁性器件，这使得隔离功能有重复的嫌疑，并且随着所需要的DC/DC转换器数量增加，成本也不断增高。而且即使是最小型的砖式DC/DC转换器也要占用宝贵的电路板空间，并且不容易放置在需要的地方。
　　而且，在需要多种低电压直流供电时，经济上也不划算。根据经验，典型的隔离输出砖式直流转换器每安培成本约为2美元。与此相比，niPOL转换器由于不需要提供隔离功能的磁性器件，因此体积更小，成本也低得多。例如，Artesyn最近推出了针对成本敏感应用的三个系列的niPOL转换器，包括每安培电流成本低于0.5美元的30A型号。即使该公司最先进的可提供95%转换效率的SMT15E系列niPOL转换器，见图2，每安培成本也仅1.19美元。
　　究竟什么情况时中间总线结构供电系统比传统的DPA系统成本效率更高呢？这依赖于许多技术因素，例如，是否需要更快的瞬态响应、最小化噪声并保证更好的稳定，这些方面的要求越高，小型niPOL转换器就越来越成为设计人员的首选，因为要达到这些要求就需要使电源转换和负载位置尽可能靠近。当需要较大功率的不同电压电源数量超过3或4个时，中间总线结构电源系统所提供的成本和空间节约就变得非常明显。例如，能够提供80A、4种工作电压的中间总线电源系统每安培电流成本比基于砖式DC/DC转换器的方案要低，占用的电路板空间更是少了33%。
　

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