每日热文：通信模块电源系统架构讲解

一、集中式电源系统：

(资料图片仅供参考)

传统的电源系统如图 1 所示，它采用一个变换器，将市电变换为多路输出电压，向不同负载供电。586 系列以前的计算机电源就是采用这样的结构，计算机主板、CPU 以及其他电子装置均是通过“Silver box”供电。这种供电结构一般称为集中式电源系统（Centralize power system, CPS），其优点是功率变换集中在一个独立装置中，系统较简单，便于设计和采购 。

集中式电源系统的缺点是：电源装置与负载端距离较远，线损较大；负载之间存在相互影响；动态响应较差。随着负载电压越来越低、电流越来越大，这些缺点愈发明显。同时，集中式电源系统的热量比较集中，降低了系统的可靠性。

图1 集中式电源系统架构图

二、分布式电源系统：

分布式电源系统（Distributed power system, DPS）（如图 2）基于电源模块化技术，对系统结构作了改进，缩短了负载与电源之间的距离。

与集中式电源系统相比，分布式电源系统最典型的一个特点就是系统中引入了电压母线。在分布式电源系统中，多个源可以通过物理位置不同的变换器模块向电压母线提供能量，再由不同的变换器模块将母线电压变换成负载所需要的电压。由于各种变换器模块分布在源和负载的物理位置附近，因而该系统被称为分布式电源系统。

在现代计算机以及通信设备的分布式供电系统中，设备终端的变换器模块（又称电源模块）已逐渐演变成板载电源模块（On board power supply， OBPS）、负载点变换器（Point of load， POL）以及电压调节模块（Voltage regulator module, VRM）。板载电源模块，顾名思义，是指电源与负载在同一个物理结构中；而 POL 则是指变换器位于负载附近，但两者并不在同一个物理结构中；VRM 特指给微处理器供电的电源，属于 POL 的一种，根据母线电压的不同又分为高压 VRM 和低压 VRM。

目前，分布式电源系统已逐渐替代集中式电源系统，成为信息、通信等现代高性能数字系统的主要供电方式，也广泛应用于航空、航天以及军事领域。

图2 分布式电源系统结构图

三、分布式电源系统的特点：

热管理简化

在中大功率的集中式电源系统中，除功率变换器外，人们印象最深刻的就是大量的机械部件，如输出母线、散热器、辅助散热系统等。而在分布式电源系统中，由于功率处理单元分布在不同的物理位置，其热源是分散的，因而可以简化散热设计，降低系统成本。在某些系统中，甚至可以利用系统自身的传导和辐射来实现散热，从而省却散热装置。

高性能、高效率、搞功率密度

随着负载需求电压的不断降低和电流的不断增大，集中式电源系统由于远离负载，其导线压降不仅会影响负载端电压的稳定，而且使效率降低。而在分布式电源系统中，由于板载电源模块和负载点电源模块靠近负载，负载电压稳定，导线损耗几乎为零；同时，系统中远距离传送的是母线电流，而母线电压一般较高，母线电流与负载电流相比要小得多，因此线损会大幅减小，可有效提高系统效率，由此可进一步降低对散热的要求。

与此同时，交错并联、同步错相技术的采用，可以等效提高开关频率、降低电压电流脉动，从而减小滤波器的总体积。因此分布式电源系统功率密度比集中式电源系统有明显提高。

可靠性高

相对于集中式电源系统而言，分布式电源系统通常采用（N＋R）的并联方式进行备份。其中 N 是指系统正常工作所需要的最少模块数，而 R（通常 R＝1）是冗余备份的模块数，它可以保证在 R 个模块发生故障时系统依然正常供电。除此之外，同步错相技术的引入可以等效提高系统的带宽，从而可以对诸如过载、短路等故障作出更迅速的响应，从而提高系统的可靠性。

可维护性好、有效性好

系统有效性是指系统的预计有效工作时间，一般采用平均故障间隔时间（Mean time between failures，MTBF）或平均维修时间（Mean time to repair， MTTR）来衡量。由于分布式电源系统中的每个功能单元中都采用多个模块并联冗余工作，因此其有效性比集中式电源系统有较大改善。在维修时，通常是更换失效的标准模块，而且可以采用热插拔技术对失效模块进行在线更换，由此保证系统的不间断供电。因此从这个角度来讲，分布式电源系统的可维护性要远比集中式电源系统好。

标准化、模块化、系统设计灵活

如果采用集中式电源系统，那么对于不同的要求，整个系统需要特别设计。而采用分布式电源系统，则可以采用标准化的模块，通过不同组合，来满足不同的系统需求。显然，这将大幅度缩短系统开发周期、降低开发成本。

同时，分布式电源系统可以采用“很复杂”的结构以满足不同设备的高性能要求。比如通过模块并联实现系统热插拔，通过级联方式采用 POL 以解决宽输入范围问题。为了保证系统的可靠性，还可以采用多个电源联合给系统供电。

四、直流分布式电源系统：

在信息、通信系统应用中，直流分布式电源系统(DC-DPS)占绝大多数，是目前的一个研究热点。图 3 给出的中间母线架构（Intermediate bus arcitecture, IBA）保留了图 2 所示的分布式电源系统的优点，并且降低了其复杂程度和成本，同时也使得系统的功能更为强大，因此 IBA-DC-DPS 正逐渐成为现代信息、通信以及服务器等高性能电子设备的主要电源系统结构。IBA-DC-DPS 由前端变换器（Front-end converter, FEC）、DC/DC 变换器、POL、OBPS、低压 VRM 以及备份电池组成。由于引入了中间母线（即图中母线 II），功率转换由传统的两级增加到三级。

前端变换器用于实现 AC/DC 变换，通常由电磁干扰（Electro-magnetic interference, EMI）滤波器、功率因数校正（Power factor correction, PFC）变换器以及 DC/DC 变换器组成。前端变换器大多采用 N+1 结构备份工作，以提高系统的可靠性、可维护性。前端变换器中DC/DC 变换器用于将 PFC 的输出电压进行降压以获得直流母线电压 I。

图3 IBA-DC-DPS典型架构

母线 I 后的 DC/DC 变换器用于将母线 I 变换成母线 II，也就是中间母线，同时实现两者之间的电气隔离。因此它也被称之为中间母线变换器（Intermediate bus converter, IBC）。而 POL、OBPS 和低压 VRM 用于将中间母线电压变换到负载所需要的电压，它们通常为Buck 变换器及其改进电路结构。母线电压的选取十分关键，为了减小线损，母线电压越高越好，尤其是在功率较大时，这样可以提高变换器的效率。例如，目前大卫星的母线电压采用 100V 直流电压，而在小卫星中，则广泛采用 28V直流电压。而从安全性角度考虑，结果恰恰相反。为了保证人身安全，一般要求电压在 60V 以下，若考虑直流电弧对开关以及触点的影响，则希望电压在 32V 以下，如工业控制和电动汽车的 24V、军用 28V。备份电池也是母线电压选择的一个很重要因素，母线电压必须与备份电池电压相匹配，以保证备份电池正常工作。在许多场合，电池电压就决定了母线电压的大小，如通信系统中的 48V。 当然，行业标准对于母线电压的选取也有决定性的意义。例如 Intel 公司指定 48VDC作为服务器的直流母线电压，这已成为计算机电源系统的行业标准。

前端变换器

前端变换器经过十多年的发展，已经相对比较成熟，并已应用于实际产品中。其中几个技术指标需要重点关注，系统掉电保持时间是前端变换器设计的一个重要指标，另外一个是效率，同步整流技术的应用使得效率有所提升，但是随着电压的升高，MOSFET的导通损耗增大，同步整流对效率的提高也非常有限。为了提高前端变换器的变换效率，新器件和材料被广泛使用，如采用 CoolMOS 减小导通损耗，采用 SiC 二极管减小反向恢复损耗等；谐振技术也被广泛采用，通过实现零电压开关（Zero voltage switching, ZVS）、零电流开关（Zero current switching, ZCS）减小开关损耗。

IBC的研究

为了保证安全和优化效率，IBC 的输入和输出必须进行电气隔离，而且 IBC 大多实现降压变换，因此一般采用隔离 Buck 型拓扑结构，如有源箝位正激变换器、不对称半桥变换器、半桥变换器、推挽变换器和全桥变换器等。随着系统的性能指标不断提高，在许多应用场合，单一采用上述变换器很难满足系统的要求，因此提出了两级式 IBC 架构。尽管多了一级功率变换，两级式架构仍可以通过合理组合，获得比单级式变换器更高的效率和更好的性能。

图4 模块电源中的高新技术

除电路拓扑选取及其控制技术外，高效率、高功率密度的 IBC 设计还涉及到软开关技术、磁性元件集成技术（Integrated magnetics, IM）、中间抽头电感技术、交错并联技术、谐振驱动技术以及优化 EMI 和热设计等，如图4。

POL

由于输入和输出不需要电气隔离，POL 一般采用最为简单的 Buck 变换器。关于 POL的研究，主要集中在提高动态响应速度和优化输出性能。

关键词：