消除大容量電容，構(gòu)建更輕的小型電源系統(tǒng)

對(duì)于眾多設(shè)備而言，電子系統(tǒng)的尺寸和重量都是一項(xiàng)重要要求。這在諸如航空航天等應(yīng)用中尤為明顯，例如無(wú)人機(jī)尺寸和重量增大，就會(huì)縮短航程和飛行時(shí)間。大多數(shù)系統(tǒng)都能從更小、更輕的電子產(chǎn)品中獲益。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員往往在組件選擇過(guò)程中把重點(diǎn)放在削減尺寸和重量上，但現(xiàn)實(shí)是，在這個(gè)階段只能實(shí)現(xiàn)相對(duì)較小的持續(xù)改進(jìn)。

對(duì)于具體設(shè)計(jì)而言，選擇正確的電源系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)產(chǎn)生比優(yōu)化組件選擇大得多的優(yōu)勢(shì)。電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)確定了所需的組件和布線。例如提高配電使用的電壓，可縮小所需的導(dǎo)線尺寸，這在有些應(yīng)用中可能會(huì)是一個(gè)重要因素。

選擇電源架構(gòu)也能影響需要使用的組件，包括有源組件和無(wú)源組件，從而可實(shí)現(xiàn)尺寸和重量的大幅降低。雖然轉(zhuǎn)換器的功率密度和重量很重要，但在許多情況下從散熱器到大容量電容器的其它組件，也是影響電源系統(tǒng)整體尺寸和重量的較大因素。

分比式電源架構(gòu)

分比式電源架構(gòu) (FPA)對(duì)需要輕量級(jí)、緊湊電源系統(tǒng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一種特別引人矚目的方案。通過(guò)消除負(fù)載點(diǎn)的大容量電容并在功率級(jí)前端使用陶瓷電容器替代它，F(xiàn)PA 能顯著縮小尺寸、減輕重量。

以 48V 電壓軌降至 1.5V 的電路為例。在使用常規(guī)方法時(shí)，先使用一款 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將電壓降至中間母線位置，一般為 12V。然后使用一款二級(jí)DC-DC 轉(zhuǎn)換器為負(fù)載提供 1.5V 的電源（圖 1)。負(fù)載點(diǎn)需要一款大容量外加旁路電容器，尤其是在負(fù)載所需的電流可能會(huì)快速改變的地方。如果負(fù)載電流發(fā)生瞬態(tài)變化，DC-DC 轉(zhuǎn)換器做出響應(yīng)的速度可能不足，因此所需的能量必須由電容器提供。

圖 1: 傳統(tǒng)的兩級(jí)電源系統(tǒng)。

輸出大容量電容不僅會(huì)占據(jù)大量空間，而且還會(huì)增加系統(tǒng)的整體重量。在要求明確之后，根據(jù)尺寸和重量選擇電容器對(duì)空間和重量的節(jié)省將極其有限。要顯著縮減尺寸和重量，所需的電容值必須大幅縮減。

分比式電源架構(gòu) 將穩(wěn)壓與變壓及隔離分開(kāi)。前置穩(wěn)壓器模塊 (PRM)可生成穩(wěn)壓分比式母線，而變壓模塊 (VTM)則可降低電壓并提供隔離功能。

FPA 將穩(wěn)壓與隔離及變壓分開(kāi)，有助于開(kāi)發(fā)高度優(yōu)化的電源組件。VTM 能在不影響整體效率的情況下，提供較大的輸入輸出電壓比，允許直接將 48V 轉(zhuǎn)換為負(fù)載點(diǎn)電壓。取消中間母線，不僅可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而且還可提高效率。

PRM 和 VTM 是極為緊湊的電源組件，改用 FPA 能大幅縮減轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量。然而，最大的影響通常是無(wú)需輸出端大容量電容。

消除負(fù)載點(diǎn)的大量電容

最快的同類競(jìng)爭(zhēng)磚型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器快 20 倍。這就意味著 VTM 的功能與變壓器非常相近，即便是在接近轉(zhuǎn)換器帶寬的頻率下也是如此。在這些頻率下，輸出端負(fù)載的變化直接“反映”到輸入電容，其增長(zhǎng)速度是匝數(shù)比的平方，因此無(wú)需在負(fù)載點(diǎn)布置電容。大容量電容可上移至 VTM 的輸入，一般使用低 ESR/ESL 陶瓷電容器（圖 2）。

圖 2: 使用分比式電源架構(gòu)減少電容。

存儲(chǔ)在電容器中的能量可按 ?CV2 計(jì)算。也就是說(shuō)儲(chǔ)存給定能量所需的電容量隨電壓的平方而下降。因此在上述示例中，如果把電容從負(fù)載點(diǎn)的 1.5V 電軌移至 VTM 輸出端的 48V 母線，所需電容的減少幅度可以計(jì)算為：

其它優(yōu)勢(shì)

FPA 系統(tǒng)中使用的電源組件提供高效率、低噪聲，工作在高開(kāi)關(guān)頻率下。這可縮減 EMI 濾波器和散熱裝置的尺寸及重量，尺寸一般可縮小 30%。

此外，Vicor 還提供母線轉(zhuǎn)換器模塊 BCM其可為 HVDC 電源系統(tǒng)提供前端。使用 HVDC 配電，可提高效率，縮小配電所需導(dǎo)體的尺寸。BCM 可將額定 380V HVDC 電源降至 48V，直接與 PRM 的輸入連接，其可簡(jiǎn)化整個(gè) HVDC 功率級(jí)的開(kāi)發(fā)。

結(jié)論

在本示例中，我們發(fā)現(xiàn) FPA 允許工程師將電容從負(fù)載點(diǎn)移至 48V 分比式母線，從而可將所需的電容量銳降 1000 倍。在負(fù)載所需電流存在瞬態(tài)變化的某些應(yīng)用中，大容量電容的消除，再加上 Vicor 電源組件的小型化和單級(jí)降壓的高效率，可實(shí)現(xiàn)尺寸和重量比常規(guī)解決方案少 8 至 10 倍的電源系統(tǒng)。