DC/DC模块电源发展动态

2004年6月A版

摘   要：  本文综述了当前DC/DC模块电源的发展动态，介绍中间总线结构IBA、DC/DC模块电源标准以及它们对DC/DC模块电源产品发展的影响。

前言

　　为适应IT产品的小型化、便携式发展，要求开关电源的体积更小、效率更高。在能源之星(Energy Star)认证和发达国家有关政策的推动下，人们对电源变换器的效率要求日益提高。随着CPU等超大规模集成电路的集成度的提高，它所要求的工作电压日趋下降，而需要的供电电流日趋上升，同时要求电源具有更高的动态性能。另外电源输出电压种类向多元化发展，图 1为NORTEL发布的通信电源输出电压多元化发展的情况。电源产品需要满足高功率密度、低压大电流、高动态性能、输出电压种类的多元化、热切换、可靠性、环保等更为苛刻的要求。IT产品的价格竞争部分转移到了开关电源上，要求开关电源具有更高性能的同时，价格进一步下降，电源产业面临前所未有的挑战。

　　2001年北美和欧洲对DC/DC模块(包括隔离或非隔离)的产值达29亿美元，预计到2006年增长至36亿美元。DC/DC模块主要有4类用户：电脑和办公自动化、通信、工业和仪表(医疗)、军事与航天，其中通信贡献最大，达47%(2001年)。在美国经济泡沫破裂前的1999年， DC/DC电源增长率达到10.5%。预计2004年DC/DC电源增长率为5.7%。除全球经济的增长率下降因素外，影响DC/DC电源增长的主要原因是DC/DC电源的价格迅速下降。美国Darnell Group咨询公司认为影响DC/DC电源增长率变慢的原因主要有：中间总线结构(IBA)的广泛采用、大量采用廉价的非隔离负荷点变换器(POL)、模块电源厂家的激烈竞争。

　　DC/DC模块电源的种类繁多，这里重点讨论板载电源(Board Mounted Power Supplies)。板载电源一般在PCB或DBC等基板上，采用SMT或MCM工艺制成的DC/DC变换器。板载电源分为隔离砖块电源、负荷点电源(POL) 、电压调整模块(VRM)。电压调整模块(VRM)是一个专门给CPU供电的电源模块，目前主要采用多相BUCK电路结构，因此可以与负荷点电源(POL)归为同一类型。
 
砖块电源

　　1996年朗讯科技公司(Lucent Technologies)推出了半砖电源模块，后来成为砖块电源的标准。2002年出现了1/8砖块电源。图 2为砖块电源的外形。

　　据美国电源制造者协会(PSMA)预测，未来5年中砖块电源主要产品的功率范围在50-250W，同步整流有源钳位正激变换器仍将是主流拓扑。Celestica预测开关频率将增加到250~500kHz。变换效率将从88%(3.3V)提高到90%(1V)。砖块电源的输出将由目前离散电压5V，3.3V，2.5V，1.8V等朝1~2.5V可调，5~12V可调方向发展。

　　目前关于砖块电源是否会在今后的5年中普遍采用数字化控制技术仍存在意见分歧。

负荷点电源(POL)

　　随着IC供电电压的下降和所需电流的增加，具有在紧贴负荷放置DC/DC变换器的要求，推动了非隔离负荷点电源(POL)得到迅速发展。非隔离负荷点电源的输入电压一般为3.3V, 5V或12V。负荷点电源比砖块电源的成本低、体积小，通过在负荷旁安装POL模块满足大规模集成电路需要低压大电流的供电和低供电噪声的要求。负荷点电源(POL)的应用降低了电压降落的损耗、提高了EMC、提高了输出的调整率和动态性能。图3为负荷点电源(POL)。

　　负荷点电源的主流拓扑为同步整流BUCK电路或多相同步整流BUCK电路，它采用非隔离结构。今后，级联式变换器将在超低电压输出应用场合得到应用，谐振变换器、带耦合电感的BUCK电路可能也有应用的机会。据PSMA预测，2008年数字化控制将成为主流。集成化将取得进展。预计到2008年20%非隔离DC/DC变换器将采用SoC技术，30%将采用多芯片模块，而50%仍继续采用传统的分离元件技术。

供电结构对DC/DC模块发展的影响

　　开关电源的供电结构有多种，可以分为集中式结构、分布式结构(DPA)、中间总线结构(IBA)三种。集中式结构，由一个集中的电源变换器产生所需各种电压等级的输出电压，由于它成本低廉，至今仍是应用最广泛的一种形式。

　　分布式结构如图 4(a)所示，它采用48V的电压直流总线，将电能送至负荷旁，然后通过独立的隔离DC/DC模块分别给各负荷供电。分布式结构具有电源效率高、输出电压调整率高、输出噪音小、动态响应快等突出优点，一度被认为是电源发展的方向。分布式结构首先在通信电源应用，随后迅速在PC电源、电视机顶盒、服务器等方面得到应用。然而，分布式结构由于所采用的DC/DC模块均需要隔离，构成的电源系统的成本较高。于是，出现了中间总线结构的电源产品。

　　图 4(b)为中间总线结构。中间总线结构有两级构成，首先通过隔离DC/DC变换器将48V变换成中间的电压，采用中间的电压总线，如图中的12V电压总线，将电能送至负荷旁，然后通过第二级非隔离DC/DC模块(负荷点电源(POL)+VRM)给负荷供电。实际上，中间总线结构是分布式结构与集中式结构的折中方案。中间总线结构电源成本较低，具有较好的竞争力。随着IC供电电压的下降和所需电流的增加，具有在紧贴负荷放置DC/DC变换器的要求，推动了IBA的应用，非隔离负荷点电源(POL)得到迅速发展。

　　IBA结构改变了DC/DC模块电源发展趋势，非隔离DC/DC模块增长速度已经超过了隔离DC/DC模块。非隔离DC/DC模块增长主要来自集线器、路由器等的增长。表 2列出了不同类型DC/DC电压产品的发展预测，可见集中式电源将呈下降的趋势，而负荷点电源(POL)和VRM的增长将从5%达到40%。

电源模块标准

　　2003年Texas Instruments 、Artesyn Technologies 和 Astec Power三家公司成立了负荷点电源模块的联盟 (POLA)，旨在实现负荷点电源模块互换性，制定了负荷点电源模块的标准，包括功能、引脚、外形的标准。外形如图 5 所示。POLA指定的第一个产品系列的标准如表3所示，根据输出电流的大小可分成5个类型，每个类型又包含三种输入电压等级：3.3V, 5V和12V。为保证互换性，均采用PWM控制。POLA标准将有力推动IBA结构的更加广泛的应用。

　　2003年美国电源协会(PSMA)、欧洲电源协会(EPSMA)和高密度电源用户组织(HDPUG)成立了一个工作小组(PSMA BMPS Format Initiative)，研究模块电源标准。

结语

　　中间总线结构(IBA)和负荷点电源模块标准(POLA)将加速负荷点电源模块 (POL)的技术和规模的迅速增长，模块电源将更多的采用集成化技术和数字化控制技术。■

 
参考文献：

1. Charles E. Mullett, PSMA Chair，‘A 5-Year Power Technology Roadmap'，IEEE Proceeding of APEC04.

2. Jeffrey D. Shepard, ‘Power Electronics Futures’，IEEE Proceeding of APEC04.

3. Andrew Fanara, ‘ENERGY STAR(r): A Strategy to Encourage Improved Efficiency of Power Supplies’，IEEE Proceeding of APEC04.