重塑負載點電源轉換方式

假如我們隨機問一位系統架構師：「您面臨的最大問題是什麼？」對方可能會回答：「為系統供電的元件就占用了 30% 到 50% 的電路板空間，實在沒有空間放必要的額外濾波和電磁干擾 (EMI) 抑制元件了。」在大多數電子系統中，像是消費性應用、資料中心和網路產品，「電源」依舊是尺寸和高度能否縮減的主要限制因素之一。

圖 1：Murata 的兩級降壓架構包含一個充電幫浦，後接一個降壓切換式穩壓器。(圖片來源：Murata)

傳統上，系統架構師需仰賴降壓負載點 (POL) 轉換器來降低匯流排軌的電流 (例如 12 V)，方能為系統負載 (像是核心與應用處理器、系統 ASIC、記憶體) 供電。數十年來，降壓轉換在業界中一直卓有成效，也經過多次的精進、改善，促成了穩健而具有成本效益的解決方案。然而，要在功率密度方面取得真正的重大進展，系統架構師需要考慮的就不只是疊代改進了。正是基於這個原因，Murata 推出了一款兩級 POL 轉換器，其架構是一個充電幫浦後接一個降壓切換式穩壓器，如圖 1 所示。

許多人都會認為，用兩級式架構來改善效率似乎違反直覺，因為各級的效率是相乘的。不過，由於採用了創新的切換式電容技術，充電幫浦實際上是無損的，可讓第一級轉換獲得卓越效率。

讓我們看看圖 1 中 12 Vin 至 1 Vout 的典型範例，充電幫浦會使用電容，將輸入電壓 12 V 除以 3 成為 4 V。現在，第二級降壓電感在進行 4 V 到 1 V 負載的最終轉換時，就會比較輕鬆了。電容的使用是一大關鍵，因為與電感相比，電容的能量密度大約是其 400 倍。運用電容式儲能的解決方案，本質上會得到更高的功率密度。現在，第二級降壓穩壓器會以 4 V 的低輸入電壓運作，而不是完整的 12 Vin。這能讓降壓轉換器使用低電壓、高效率的場效電晶體 (FET)，這些電晶體結合小型的輸出電感後，可以打造出能夠在極高的頻率下運作、具有快速暫態響應的高效降壓穩壓器。

圖 2 是傳統單級降壓與兩級降壓架構更詳細的比較圖。

圖 2：傳統單級降壓轉換器與 Murata 兩級降壓轉換器的比較圖。(圖片來源：Murata)

讓我們看看圖 2 中，要從 12 Vin 到 1 Vout 的情況下，較為傳統的單級降壓方法。Vx 節點 (FET 的中點) 從接地擺動到 Vin，加上儲存在漏電感和寄生現象中的能量尖波。這種方法需要更高電壓的 FET，而且由於電壓快速變化和振鈴效應，EMI 可能是個問題。所有的工作都落到電感頭上，而且還是相對較高的值，這會對效率和暫態響應造成負面影響。此外，在 12:1 V 的情況下，高側 FET 只會在 1/12 的時間內導通。這會導致輸入端出現極高的脈衝電流，需要額外進行解耦，才能減輕對傳導 EMI 的影響。這種極低的工作週期也限制了在極高切換頻率下運作的能力。

讓我們把此方法與圖 2 的 Murata 兩級方案進行比較。充電幫浦會以整數「階梯式」降低電壓 (在本例中，從 12 V 到 8 V 再到 4 V)，這樣一來，每一級只差了 4 V，而且可以利用低電壓、高效率的 FET 技術。降壓穩壓器會執行 4:1 V 轉換的最後一步。大部分工作都已由第一級的電容式充電幫浦完成。這種架構可以減少第二級電感，進而實現輕薄小巧的設計，能在高頻下運作並具有出色的暫態響應。

第一級充電幫浦安排為 50% 工作週期、異相運作的兩相。第二級降壓則以接近 25% 的工作週期運作，降低輸入電流和脈動電流。這兩種因素結合起來，可以最小化轉換器的輸入漣波和 EMI 分佈。總結來說，Murata 的兩級架構在效率、厚薄大小、EMI 方面都有所改善。

如需更多資訊，請觀看 Murata 的網路研討會《How Murata is changing the power density paradigm》。