分享现代分布式电源架构的关键技术挑战及应对措施的方案设计

为了在保留紧凑砖型模式的同时缩减电源尺，电源制造商必须降低砖型模块的高度并(或)尽量将外部的供电元件移至砖型模块内部。但同时采取上述两种做法却给电源设计者带来了诸多挑战,其中包括：如何处理高功率密度所需的散热问题，如何将所有必要组件集成在有限的空间内等等。本文介绍了现代分布式电源架构的关键技术。

你如何为目前的电信、数据通信、医疗和工业应用负载提供所需电力？是从墙角插座获取呢还是从主电源分离而来？在过去，主要的电源架构包括一个集总式电源单元，然后通过电缆与电源母线网络在整个系统中实现分布式电源，但随着电力需求发生变化，系统的电源拓扑结构也在更迭。因为功耗需求不断增加，半导体器件要求电平越来越低，为支持数字处理技术需要更好的电源性能表现，同时与电力电子制造商可用的先进产品相结合，目前正在实施的电源分配架构也更复杂。现代分布式电源架构（DPA）可以将集中的热量分散到整个系统的不同地方，在极低电压的前提下支持大电流，并为快速变化的负载提供出色的瞬态响应。其他优点还包括灵活地增加电压或电流需求，以及在某个负载节点失效时系统可以继续进行。在三个目标（整体性价比，最小目标尺寸，以及高效率）的要求下，目前卓越的DPA需要注意三大主要考虑点（如图1所示）——交流/直流前端电源，直流/直流转换器的负载点，以及中间总线架构（IBA），还有这三点的相互结合。让我们仔细看看每一考虑点的功能属性，并且研究目前已上市的一些产品，为设计师提供一些建议。

交流/直流前端电源

在托马斯爱迪生、尼古拉特斯拉、乔治·威斯汀豪斯时代，曾进行过公用输电和配电系统是采用AC还是DC的争论，最终因为其长距离传输的较低损耗，AC从中胜出。目前的电子设备主要由直流驱动，需要将电压为80到265伏、频率为50到60赫兹的单相波形交流电转换为墙壁插座所需的直流电源。前端AC / DC转换概念本身相当简单；通过一个变压器将高压交流电源线调整到一个更易于管理的电压，一般是一个正弦交流（0伏值）低电压，再通过整流桥，生成与交流振幅等同的驻波波形直流电压，并加入一个大电容来平滑该电压。该平滑电压随后通过一个DC / DC转换器来实现系统所需的稳定直流总线电压。交流/直流前端的典型输出直流电压，对于电信系统是48伏，对于数据服务器是12伏和24 伏，对于一些数据通信和医疗设备甚至是400伏（欧洲部分地区使用三相400伏交流输入）。

当前AC/DC变换主要挑战来自两大因素：功率因数校正（PFC）和谐波滤波。给定的AC/ DC电源功率因数的计算方法是负载得到的实际可用功率与电力网提供的视在功率之间的比值。该因数可以用于衡量功率损耗。它也可以测量谐波失真，这些失真很大程度源自整流和平滑阶段AC输入电流波形转变为直流时出现的失相和非正弦信号。

低功率因数（相对于理想时的功率因数）的缺点包括电力公用事业公司无力承担怠性功率（非真实）消耗，谐波回注电网时可能导致服务中断，以及谐波引发设备振动时会造成安全隐患。

因此，传统的简单好用的设计已经无法满足PFC和谐波滤波的需求，已经引入了标准和法规，如大于75瓦功耗产品需要遵循EN/ IEC61000-3-2标准。在国际上，功率因数大于0.9的电源规范需求越来越强烈，同时也希望尽量限制总谐波失真。最简单的PFC方法一般包括在AC输入端加入电容滤波器，尽管会导致功率因数难以大于0.7，因此它更适合于恒定载荷。目前更严格的PFC要求，包括需要支持现代半导体的快速和高负荷变化，这也意味着需要采用主动式PFC，通常实现方式是在桥式整流和滤波电容器之间加入升压转换电路。

在PFC要求越来越高的同时，能效标准也越来越严格，哪怕是PFC会降低效率。各种大量的特定应用监管标准规定显示了在所有负载范围（满负荷到低至10％的负载）内都需要高电源效率。结合需要适应不断演化的法规以及具有竞争力的成本时需要实现每立方英寸功率效率的持续压力，当前的系统电源设计人员有足够的理由来寻找一个简单的解决方案。幸运的是，目前已经存在完整的AC / DC前端电源模块，可以简化DPA的前端设计，这些模块如表1所示（下半部分会介绍）。这些产品都提供了主动式PFC，负载范围内效率高，电源密度高以及还有过压、过流和过热保护。此外，部分型号还提供先进的功能，如热插拔功能，利于N +1冗余的有源负载共享，利于可扩展的并联，以及带有I2C、PMBus或以太网接口的板载微处理器，以实现根据负载等级或其他参数的实时监控和动态数字优化。