隨著主板負(fù)載功率開始增加，高功率密度主板的設(shè)計變得更具挑戰(zhàn)性，因此電源系統(tǒng)架構(gòu)從分布式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器（或磚型解決方案）發(fā)展成了中間母線架構(gòu) (IBA)。

有了 IBA，轉(zhuǎn)換器可將 48V 輸入降至 12V，然后多個非隔離式負(fù)載點穩(wěn)壓器(niPOL) 可將 12V 降低到特定的負(fù)載電壓要求。

電源系統(tǒng)架構(gòu)適合解決不斷變化的通信、計算及工業(yè)領(lǐng)域的最新挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)源于不斷增長的性能需求。

當(dāng)前的功率要求和較低的 (<<1V) PoL 工作電壓對 IBA 提出了新的要求，這些要求現(xiàn)在會影響系統(tǒng)性能。目前許多負(fù)載（CPU、GPU、AI 處理器）功率及動態(tài)負(fù)載變化的增加，要求其穩(wěn)壓器盡可能靠近負(fù)載輸入電源引腳。

這可顯著降低通過稱之為配電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 的印刷電路板或基板銅箔電源層的功率損耗。此外，許多負(fù)載需要極大電流的瞬態(tài)響應(yīng) (di/dt)，主板阻抗的高低會對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。

然而，為了支持高功率就需要大量的 VR (niPOL)，而將大電流穩(wěn)壓器部置在高功率負(fù)載附近，確實對 中間母線架構(gòu)不利。這反過來需要更大的空間，不僅會導(dǎo)致電源輸出端到負(fù)載端的距離（阻抗）增加，而且還會因為損耗增加及隨后更低的動態(tài)性能而降低整體效率。

由于占空比限制，12 到 <<1V轉(zhuǎn)換效率的提升也是多相降壓 niPOL 陣列面對的巨大挑戰(zhàn)。

分比式電源：為應(yīng)對當(dāng)前電源需求挑戰(zhàn)而生的解決方案

總結(jié)當(dāng)前電源系統(tǒng)設(shè)計趨勢的挑戰(zhàn)：

1.500 到 2000A 的極大電流傳輸能力。

2.要求高動態(tài)性能的負(fù)載

3.較大 PDN 損耗和阻抗

4.擴展 48V 母線基礎(chǔ)架構(gòu)的使用范圍，需要 48V 至 1V 以下的轉(zhuǎn)換能力

解決這種大電流、高密度負(fù)載點 (PoL) 問題，需要一個不同的方法。分比式電源架構(gòu)? (FPA?) 就是這樣一種全新的解決方案。

分布式電源架構(gòu)和 IBA 均由轉(zhuǎn)換級和穩(wěn)壓級組成，以將電壓降至負(fù)載點電壓。在 IBA 使用案例中，穩(wěn)壓及轉(zhuǎn)換級（降壓穩(wěn)壓器，niPOL）連接在轉(zhuǎn)換級中間母線轉(zhuǎn)換器 (IBC) 之后。分解這些架構(gòu)，可實現(xiàn)：

? 變壓（將電壓從一個等級變?yōu)榱硪粋€等級）

? 穩(wěn)壓（即使輸入電壓發(fā)生變化，也能將轉(zhuǎn)換器輸出電壓控制在目標(biāo)值下）

當(dāng)VIN = VOUT時，穩(wěn)壓器效率最佳，而在穩(wěn)壓器輸入輸出比例增加時，效率會跟著降低。當(dāng)?shù)湫洼斎腚妷涸?36 和 60V 之間變化時，最佳輸出母線電壓將為 48V，而不是 IBA原有的典型 12V 母線。48V 輸出母線所需的電流比 12V 母線 (P = V?I) 低 4 倍，而PDN 損耗是該電流的平方 (P= I^2^R)，其可將損耗降低 16 倍。

因此，先配置穩(wěn)壓器并穩(wěn)壓至 48V 輸出，將實現(xiàn)最高的效率。通過本實例可以看出，該穩(wěn)壓器必須接受有時擺幅低于 48V 的輸入，因而需要一個升降壓穩(wěn)壓級來滿足這方面的設(shè)計需求。輸入電壓穩(wěn)壓后，就需要將 48V 轉(zhuǎn)換為 1V。

在需要 1V 負(fù)載的情況下，最佳變壓比為 48：1。在這種情況下，前級穩(wěn)壓器可將輸入降壓或升壓至 48V 輸出，后級變壓器可將電壓從 48 降至 1V。鑒于步降變壓器會以相同的比率增加電流，因此步降變壓器的等效名稱是電流倍增器。

在這種情況下，1A 輸入電流將倍增至 48A 輸出。為了最大限度降低大電流輸出的 PDN 損耗，電流倍增器必須要盡量地小，才能盡可能靠近負(fù)載部署。

PRM? 穩(wěn)壓器和 VTM? 電流倍增器相結(jié)合，形成了 Vicor 分比式電源架構(gòu) ?。這兩款器件相互配合，每個器件都可高效發(fā)揮其專業(yè)作用，實現(xiàn)完整的 DC-DC 轉(zhuǎn)換功能。

PRM把未穩(wěn)壓的輸入電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓輸出電壓或“分比式母線”。該母線可為 VTM 供電，將分比式母線電壓變?yōu)樨?fù)載所需的電壓水平。

與 IBA 不同，F(xiàn)PA 不能通過串聯(lián)電感從中間母線電壓降至 PoL。FPA 并非均衡降低中間母線電壓，而是使用電流增益為 1:48 或更高的高壓穩(wěn)壓及“電流倍增器”模塊 (VTM)，提供更高的效率、更小的尺寸、更快的響應(yīng)以及 支持1000A 以上負(fù)載的可擴展性。

分比式電源背后的組件

PRM 和 VTM 是實現(xiàn) FPA 的組件。PRM 使用獲得專利的零電壓開關(guān) (ZVS) 升降壓控制架構(gòu)提供高效率升降壓穩(wěn)壓和軟啟動；當(dāng)VIN = VOUT時，可實現(xiàn)最高效率，最新 PRM 可實現(xiàn) 99.3％ 的峰值效率。

VTM 電流倍增器是一款采用專有零電流開關(guān)／零電壓開關(guān) (ZCS / ZVS) 正弦振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC?) 的高效率變壓模塊。它工作波形為純正弦，支持高光譜純度和共模對稱性。這些特性意味著它不僅不會產(chǎn)生典型 PWM 類轉(zhuǎn)換器所具有的諧波含量，而且?guī)缀醪粫a(chǎn)生噪聲。

控制架構(gòu)將工作頻率鎖定至功率級諧振頻率，不僅支持高達 97％ 的效率，而且還可通過有效消除無功部分來最大限度降低輸出阻抗。這種極低的無電感輸出阻抗使其幾乎可以瞬間響應(yīng)負(fù)載電流的階躍變化。

VTM以 3.5MHz 的有效開關(guān)頻率工作，因此即使負(fù)載電流以小于 1 微秒的速率變化,VTM都可以自如應(yīng)對沒有問題。VTM 的高帶寬可取消對負(fù)載點大型電容的需求。即使沒有任何外部輸出電容器，VTM 的輸出在功率突增時，電壓擾動也會很有限。極少量的外部旁路電容（低 ESR/ESL 陶瓷電容的形式）足以消除任何瞬態(tài)電壓過沖。

FPA?的能量存儲和動態(tài)響應(yīng)方式

對于在雷達和自動測試設(shè)備測試端等要求苛刻的應(yīng)用中經(jīng)常需要的更快負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，采用固定比率轉(zhuǎn)換器的 SAC? 拓?fù)涞膬?yōu)勢在于不會對系統(tǒng)內(nèi)部敏感的控制環(huán)路施加帶寬限制。因此，VTM? 功率級提供一種獨特的電容倍增特性。

例如，當(dāng)使用 K 為 1/48 的 VTM 時，有效輸出電容是輸入電容的 2300 倍。這就意味著需要在 VTM 輸出端添加的電容明顯減少。

存儲在電容器中的能量 (E) 是：

E = 1/2 CV ^2^ (1)

因此，VTM 48V 輸入端少量小容量電容的作用與添加在多相降壓轉(zhuǎn)換器（通常是用于 IBA 的 niPOL）1V 輸出端大量大容量電容的作用相同。

FPA 架構(gòu)不僅可減少電容，而且還可節(jié)省電路板空間

FPA? 的優(yōu)勢

分比式電源架構(gòu)? 可使電源系統(tǒng)密度和大電流需求與快速發(fā)展的 CPU、GPU 和 ASIC 技術(shù)保持同步。采用這些電源組件設(shè)計系統(tǒng)時，主要優(yōu)勢包括：

?CPU/GPU 附近的基板消耗銳減 50％ 以上

?PDN 及相關(guān)電路板損耗減少一個數(shù)量級

?將 PRM? 和數(shù)字控制器放置在不重要的電路板邊緣區(qū)域，電源整體性能不受任何影響，使得PCB 布局更加簡單容易。

?使得 CPU I/O 走線更加簡單容易。

?由于 VTM? 較低噪聲的特性，降低了在處理器附近布置電源轉(zhuǎn)換模塊的風(fēng)險

?VTM 可輕松并聯(lián)，因此可通過并聯(lián)功能滿足更高功率的需求

從電源系統(tǒng)的整體效率來看—包括PRM和VTM的組合—可以提供從高壓輸入到低壓輸出的整體效率在90%~95%之間。效率越高，總體熱耗散就越低，這是電源系統(tǒng)設(shè)計中的另一個重要考慮因素。

FPA：可擴展解決方案滿足未來板載電源的需求

隨著負(fù)載電流不斷增加，Vicor 不斷增強 FPA，以最大化電流輸送并進一步減少負(fù)載點的 PDN和提高功率密度?，F(xiàn)在，Vicor 提供分比式合封電源解決方案，包括模塊化電路驅(qū)動器 (MCD) 和模塊化電流倍增器 (MCM)，其中只有先前的 VTM 變壓級的二次側(cè)位于負(fù)載點。

PRM和VTM 的一次側(cè)現(xiàn)已合封在 MCD 中。MCM 安裝在與大電流處理器相同的封裝／基板上。與 PRM 的情況一樣，MCD 可采用不會影響密度的電路板基板安裝在遠離電流倍增器的位置。

越來越多的應(yīng)用正在利用分比式電源架構(gòu)，為 CPU、GPU、ASIC 和存儲器負(fù)載提供 48V 直接至 PoL 的功率轉(zhuǎn)換。這一增強性能現(xiàn)已成了人工智能 (AI) 計算、雷達和汽車自主駕駛及安全性 (ADAS) 應(yīng)用的福音，在這些應(yīng)用中，對高密度、高效率和低噪聲的要求是常規(guī)功率轉(zhuǎn)換器件無法滿足的。