分散式電源架構在過去已經有效提升通訊系統效率，並降低電路成本，但是更高的系統頻寬需求，卻使分散式電源架構面臨進一步改變...
分散式電源架構(Distributed Power Architecture, DPA)除了能夠為電信、網際網路以及類似系統提供更高的整體效率與可靠度外，在電路實現的成本上也相對較低，但這個傳統的結構設計，現在卻必須改變，以改善電氣與散熱效率以及功率密度，原因是更高的系統頻寬需求造成每片電路板上必須加入更多的高效能特殊應用晶片(ASIC)與網路處理單元(NPU)元件。
大多數人都會同意，在二階式轉換設計上，建立一個中階電壓可以提供最佳的負載點(Point of Load, POL)轉換器組態，雖然POL的設計在過去已有大幅進展，但基本上重點還是停留在加強現有業界標準1/4甚至是1/8磚式模組形式的第一級轉換器上。採用嶄新組態，稱為直流匯流排轉換器(DC Bus Converter)的設計，卻可以帶來改善轉換效率的潛力，同時還能降低整體的使用零件數並簡化設計。新型的晶片組，包含低耗損且高散熱效率的金屬氧化半導體場效應電晶體(MOSFET)，以及能將這個直流匯流排轉換器組態潛力發揮到最高的全橋式與半橋式控制晶片。
直流匯流排轉換器的控制要求是一個最佳化的控制器晶片，以自振式50%有效週期率為原則，擁有相當高的整合度來簡化隔離式直流-直流(DC-DC)轉換器的電路設計。例如國際整流器公司的IR2086S就是一個搭配先前所推出半橋式應用IR2085S的全橋式控制器晶片，這個新元件整合了和緩啟動電容、Hiccup電流限制保護，以及可調整的閒置時間(Deadtime)來避免射穿電流。與業界標準1/4磚式尺寸設計比較，可節省高達48%的整體電路板空間，還可縮減60%的使用零件數。
強化的溫度平衡設計
如果想要提升功率密度，標準包裝的MOSFET元件例如SO-8就會受到限制，當在一次端使用SO-8包裝元件，而在二次端使用DirectFET時，如果大幅提升輸出功率，那麼一次端的SO-8包裝FET可能會開始發熱，但二次端的場效電晶體(FET)卻還保持在原本的溫度狀態。因此，如果只在二次端使用DirectFET，最好在一次端搭配並列安排的SO-8包裝FET來取得最大的好處，但這樣做卻會導致使用元件數、電路板空間、複雜度以及零件成本的提升。
DirectFET封裝的優勢包括大幅降低的晶片自由包裝電阻(Die Free Packaging Resistance, DFPR)、寄生電感與雙面熱阻，都可以帶來更高的電氣效率與更高效率的散熱，以避免接面溫度上升，這些優點對於想要為高功率應用帶來真正最佳化的整體轉換效能、消除一次端溫度限制，並帶來更低的一次端溫度相當重要。
DirectFET目前已提供高達100V等級的產品，相當適合48V系統以及通用電信應用36～75V輸入，包括ETSI 36～60V規格的一次端應用。相較於在半橋式一次端組態採用100V SO-8包裝元件的典型8V輸出匯流排轉換器，採用100V等級的DirectFET可以得到大幅的效能優勢。
IRF6644 100V DirectFET與SO-8包裝解決方案的22mΩ導通電阻比較，最高導通電阻僅13mΩ，同時閘極電荷也較低，當輸出功率提升到220W時，SO-8包裝元件就會受到溫度的限制，同時必須使用並列連接的元件來提升轉換器的輸出容量。
溫度可大幅降低
另一方面，如果採用IRF6644，與單顆SO-8包裝元件比較，在溫度上可以降低高達40℃，這也表示系統可靠度將能大幅提升，原因是接面溫度是決定FIT規格的關鍵因素。更進一步來說，在使用DirectFET之後，一次端與二次端的溫度將取得平衡，成為表現更佳的晶片組合。
此外，100V等級的DirectFET與單一SO-8包裝元件比較，還能得到大約1%的電氣效率提升，由於匯流排轉換器通常以95%的效率運作，因此這個數字可說相當重要。在電路中，IRF6644的閘極電荷要比兩個並列安排的SO-8包裝元件要低，可將220W(8V下電流規格27.5A)輸出時的效率提升到95.7%，進一步證明利用單顆DirectFET來取代兩個SO-8包裝元件的可行性，同時還能取得更少零件數與更低電路板占用面積等優點。
圖1顯示用來轉換ETSI 36～60V電壓到8V中階匯流排輸出，搭配IR2085半橋式控制器的半橋式直流匯流排轉換器，這樣的安排，形成適合許多直流匯流排轉換器設計的晶片組，除了可將外加零件數降到最低之外，整體的電路在空間的使用上也相當具有效率。新推出的100V等級產品IRF6644與IRF6655是一系列能夠提供導通電阻(RDS(ON))乘上閘極電荷指數25～45%改善的中等電壓DirectFET產品。
降低3G基地台尺寸與成本
另一方面，行動電話基地台的設計工程師也面臨來自3G營運業者要求大幅降低尺寸與成本的壓力，3G基地台的體積通常要比現有的2G或2.5G更小，同時也會涵蓋一系列包含小型超微細(Picocell)基地台的不同尺寸，同時市場的競爭也促使基地台的售價必須大幅降低，以超微細基地台而言約在1,000美元以下，因此相當明顯地，不管在哪一個面向，都將對基地台的設計造成重大壓力，以迎合這些全新目標。
圖2是一個無線基地台250W射頻放大器功率級使用的轉換器，這個基地台需要一個由ETSI 36～60V或通用的36～75V輸入取得的28V直流隔離穩壓輸出，為了能夠高效率地進行轉換，使用了一個同步大電流前端電路來提供28V的中階電壓，並加上一個1:1的全橋式直流匯流排轉換器來提供隔離。
IRF6644與IRF6655 100V DirectFET可以強化這個同步轉換器的電氣與散熱效能，接著再將它送到未穩壓的全橋式轉換器電路。這個匯流排轉換器本身具備的50%有效週期率運作，可採用自我驅動二次端同步整流組態，來達到簡單的開迴路設計。
此外，為了完成節省空間的全橋式同步整流電路，使用了IR2086S來直接控制4個IRF6614 40V等級的DirectFET，在二次端，匯流排轉換器所使用的固定50%有效週期率，讓工程師可以採用100V等級的IRF6644 MOSFET，而不是可能會損耗效率達2%的150V或200V元件，這對於這類效率等級的元件而言相當重要。
在實際運作上，圖2中的功率級電路可達到92.5%的高效率，與同樣1/2磚式尺寸的解決方案比較，在空間上節省了32%。
目前的DPA必須面臨更小占用空間、更高效率運作以及使用更少零件數的要求，選用適當的功率半導體，例如最新的較高電壓DirectFET技術，搭配高度整合的控制晶片，將能提供給設計工程師解決這些問題並同時強化效能與可靠度的理想解決方案。
(本文作者為國際整流器公司網路與通訊DC-DC產品行銷經理。如有相關問題，歡迎聯絡：irasia@irf.com)
(詳細圖表請見新通訊63期5月號)