隨著資訊系統架構的快速發展，近幾年來電源分配架構也出現極大的改變。本文主要討論電源分配架構中重要的三大轉變，包括中間匯流排架構的問世、數位控制技術的出現以及採用負載點電源管理技術的新趨勢。以上每項轉變都可被視為電源分配技術的一個新突破，大幅提高系統使用壽命和效能水準。

中間匯流排架構

從系統設計的角度看，電源管理技術大約在五年前便進入一個轉捩點。對於桌機架的電訊及資料通訊設備來說，利用風扇散熱的散熱方式已到了瓶頸無法進一步突破極限。

這些年來通訊設備的頻寬不斷提高，資訊內容也越來越多元化，但仍然無法滿足廣大用戶的要求。用戶的要求越高，通訊設備便要加設更多數位訊號處理器（DSP）、現場可程式閘陣列（FPGA）以及數位特殊應用積體電路（ASIC），以致負載數目越來越多，加上負載本身也越趨複雜，令傳統的電源分配架構無法滿足新功能的供電要求。(圖一) 所示的傳統式電源分配架構，採用隔離式多輸出的直流/直流轉換器模組 （磚塊），而且每張插卡分別設有自己的轉換器。這個架構的每一負載電流都相當高，使得轉換器磚塊與每一負載點之間的電路板路徑出現 I*R 壓降，導致電壓極不穩定。

解決辦法是將隔離屏障、降壓及負載點穩壓分為兩個不同的轉換級，以取代多輸出轉換器磚塊。這個架構上的改變，如(圖二)也有其本身的問題要解決；例如，每一轉換級必須佔用不超過原有解決方案體積的一半空間，而且整體來說串列組合也必須能夠發揮更高的效率。

這個架構一般採用成本較低而穩壓效果較差的初級轉換級執行絕緣及降壓功能，而負載點附近則另有效率較高的高精度次級轉換級。這個初級轉換級稱為中間匯流排轉換器（IBC）。一般來說，中間匯流排轉換器會為變壓器設定“伏特× 秒數”這個恆定乘積，以穩定線路輸入電壓，但負載變動穩壓效果一般都差強人意，約為 (10％。

整個穩壓過程大部份就在初級完成，監控按照匝數比反射至輔助線圈的輸出電壓。系統啟動後，輔助線圈也會為初級線圈控制電路、驅動電路及穩壓電路提供供電。相較之下，設於負載點的穩壓器可以為負載提供極穩定的穩壓效果，一般不會超過 (1％，而且不用隔離。電信通訊系統的初級電源分配匯流排都在 -36 至 -72 伏特 （V） 的電壓範圍內作業，而資料則通訊設備的匯流排則在 +43 至 53 伏特的電壓範圍內作業。中間匯流排的作業電壓通常介於 8 至 14 伏特之間。

電源分配架構出現這樣重大的改變之後，積體電路、穩壓器及模組式直流/直流轉換器也受其影響而出現飛躍的發展。最近業界更積極討論為負載點穩壓器制定一個業內標準。

目前業界已成立了三個聯盟組織，努力為封裝及介面制定通用的業界標準。這個發展也導致供應鏈出現微妙的變化，部分供應商開始推出與以往不同的產品。例如，半導體製造商開始生產模組式功率轉換器，而電源供應器製造商開始自行設計矽片並在這個基礎上推出採用 CSP 封裝的穩壓器。

[備註：三個聯盟組織分別為電源分配開放式標準聯盟（DOSA）、負載點聯盟 （POLA）以及電源供應器廠商會（PSMA）的板上貼裝電源供應器（BMPS）計劃。]

數位式電源

數位控制系統在成本、設計靈活性及可靠性等方面都有很大的優勢，這是採用數位控制技術的三個主要原因。由於製程技術越趨精密，數位晶片體積也越趨細小，令數位晶片的功耗比類比晶片少。

此外，數位控制系統還有更強的雜訊抑制能力，以及能充分利用先進的自適應快速控制功能，讓設計電源供應系統的工程師可以透過電源因素改善技術及諧振轉換佈局。由於這兩種新技術較為複雜，因此類比控制系統一直無法充分加以利用。但捨棄類比控制改用數位控制是一個風險頗大的轉變。

部分思想保守的電源供應系統設計工程師多年來一直採用類比控制系統，甚至因為慣用類比系統而變得因循苟且。對於他們來說，數位控制是一個全新的概念，也是一種全新的工具。例如，領先/落後補償要改為比例積分導出（PID）控制。取樣理論及時域分析成為常用的工具，而客戶也預期複雜的圖像用戶介面能輸入控制系數以及模擬供電系統的效能。

一直以來，數位控制技術主要用於一些特殊的應用系統，例如部分應用的負載系統時間常數相當長，有足夠的時間容許即時計算脈衝寬度及參考對照表，所以一直以來數位控制技術主要用於這類系統。設有電源因素改善功能的充電系統，例如電話交換機的整流器，便是一個好例子。

醫療設備是另一充分利用數位控制技術的好例子。美國食物及醫藥管理局（FDA） 對病人可以承受的高能輻射量有非常嚴格的規定。數位控制系統具有可重複性及自動校正等優點，因此是醫療設備的首選控制方案。

供電系統是否容易讓人管理

由於電源分配架構的負載數目不斷增加，而且負載本身也越趨複雜，因此系統設計工程師必須解決負載電源的管理問題。像可程式閘陣列及數位訊號處理器等複雜負載尤其需要電源供應系統為其核心及輸入/輸出分別提供不同的供電。

根據摩爾定律（Moore's Law）的預測，核心處理器將會越趨小巧精密，而且很多是以 1 伏特或更低的電壓作業，但輸入/輸出則受制於通訊介面標準，只能以傳統的電壓（例如 3.3 或 5.0 伏特）作業。由於這些子電路通常以積體電路內建的反向偏壓 ESD 二極體所分隔，因此積體電路的供電必須按照特定的時序提供及終止，而且系統必須追蹤供電情況，以免電路出現鎖定及損毀。

此外，複雜的負載在進行自動測試時經常需要加以「邊際電壓調節」（voltage margining），甚至要向系統提供相關狀態及其瞬間功率耗消的資料。「作業期間控制」（Run-Time-Control）功能便是這樣的一種技術。每當中央處理器獲得電源供應時，供電電壓會追蹤其時脈，以便為中央處理器提供足夠的供電，並確保中央處理器在特定的工作模式下正常運作。電源管理能力就是可靈活配置電源供應系統的一種能力，以便系統可以充分利用感測參數如溫度、氣流或訊號完整性，並自動為感應器這些感測數字提供補償。

如果離散式電源管理系統佔用越來越多電路板空間，以致佔用面積幾乎接近輸電系統的面積，便必須採用整合式供電系統管理技術。電路板的空間非常寶貴，用於管理供電系統的空間增加，也就表示用於支援資訊內容及頻寬的空間會受到壓縮，因此也必須採用更高度整合的電源管理系統，導致最後不得不採用一個可支援診斷、內建測試及供電系統配置等功能的通用標準。另一個迫使採用整合式電源管理系統的原因是為了進行高功率作業，保持高度的穩定性及確保不會出現故障。

結語

總體來說，電源管理技術不但非常有用，而且日漸受到重視。系統到頭來能否真正發揮卓越的效能，很多時取決於所採用的電源管理技術，因此懂得電源管理技術真正價值所在的半導體廠商都在構思電源管理架構的最初階段時，便徵詢客戶的意見以瞭解其需求，不會在開發周期的最後階段才與其客戶磋商，因為到了這個階段，可以改善的空間已不多。電源分配架構技術的最新發展充分顯示廠商與客戶的密切關係，換言之，雙方越早合作，新技術便越能滿足客戶目前及長遠的要求。

（作者為美國國家半導體類比電源管理產品部行銷總監）

延 伸 閱 讀	由於大型IC通常是今日系統中最重要昂貴的組件，因此利用電源順序元件 (power supply sequencer) 來嚴格控制電源轉換特性就成為常見做法。 相關介紹請見「電源順序和追蹤解決方案的設計與選擇」一文。 為了控制和降低電子產品的功率耗損，尋找延長電池壽命的方法成為首要任務。最近的趨勢和法規均要求電子產品包括AC adapter等，必須滿足或超出未來特定的“主動”和“無負載”模式要求。因此業界需作出配合，使符合標準設計的性能得以保持甚至提升。你可在「AC adapter電源轉換器應用概述」一文中得到進一步的介紹。 各種應用設備的電源管理需求差異極大，但藉由將應用分類為可攜式或使用外接電源，就有可能更瞭解市場的發展趨勢、採用最適當的用料和方案來快速設計。 在「電源管理的應用趨勢 」一文為你做了相關的評析。

最新消息

NS推出全新SIMPLE SYNCHRONOUS降壓穩壓器系列首款產品，這款型號為 LM2852的低電壓、高效能開關穩壓器只需少量元件配合便可作業，最適用於有線電視數據機、xDSL數據機、數位訊號處理器（DSP）、現場可程式閘陣列（FPGA）以及視訊轉頻器相關介紹請見「NS推出全新SIMPLE SYNCHRONOUS系列低電壓降壓穩壓器 」一文。 德州儀器（TI）宣佈推出SN74AVCA406電壓位準轉換器，這是業界第一顆專門做為記憶卡與SD、MMC、MemoryStick及xD等數位相機記憶卡之間界面的電壓位準轉換元件。你可在「TI推出專供低電壓微控制器和記憶卡間界面之電壓位準轉換器 」一文中得到進一步的介紹。 NS推出可調節開關頻率的雙通道壓控模式高速同步降壓穩壓控制器－－LM2657，其開關頻率可在200kHz至500kHz的頻率範圍內隨意調節，是高電流系統的理想穩壓控制器解決方案。在「NS推出開關頻率可於200～500kHz調節之降壓穩壓控制器」一文為你做了相關的評析。