電源系統(tǒng)設(shè)計的無風(fēng)險路徑——成功構(gòu)建電源設(shè)計

新的應(yīng)用帶來了進一步的挑戰(zhàn)。例如，隨著遷移到更便宜、更清潔、更高效能源的發(fā)電，以及政府推動的應(yīng)用，企業(yè)正在尋找如何能夠通過轉(zhuǎn)向高壓直流(HVDC)配電來滿足立法和成本目標(biāo)。這就需要有不同的方法為所使用的電子設(shè)備來設(shè)計電源系統(tǒng)。

在這篇文章中，我們探討了問題、技術(shù)、方法、工具和構(gòu)建模塊，這些都可能有助于復(fù)雜電源系統(tǒng)項目的順利完成。

老方法已經(jīng)被系統(tǒng)需求超越

回首30年來，大多數(shù)系統(tǒng)的電源需求都采用集中式供電方式來提供。然而，電子技術(shù)的一個趨勢是要求設(shè)備體積更小、更輕，而功能更加強大。通信設(shè)備的開發(fā)有助于實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)革命，這需要布滿了服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心。系統(tǒng)將變得更小，提供更高的性能，而其功率要求將變得越來越苛刻。

很明顯，其他一些東西也需要發(fā)展——為電子器件供電的方式。大型集中式電源根本無法勝任為下一代產(chǎn)品供電的任務(wù)，因此，電源轉(zhuǎn)換需要更靠近負(fù)載。能夠用集中的盒子為設(shè)備供電的歲月已一去不復(fù)返了。

電源轉(zhuǎn)換需要滿足新負(fù)載的不同要求：一個電壓不可能適合所有負(fù)載?，F(xiàn)在的負(fù)載需要多路電壓軌，要求滿足嚴(yán)格的調(diào)整率的要求，而且需要快速的瞬態(tài)響應(yīng)。因此，電源轉(zhuǎn)換必須成為系統(tǒng)的一個組成部分，需要設(shè)計在設(shè)備的內(nèi)部和外部。

隨著器件需要更靠近負(fù)載點的推動而變得越來越小，我們已經(jīng)看到熱耗散密度隨著時間推移而上漲的趨勢。開發(fā)更小功率元件的推動力已經(jīng)超出了相應(yīng)的效率改善。多年來，諸如磚型電源的器件形成了電源系統(tǒng)的中堅，其功率密度正受到了限制。應(yīng)當(dāng)清楚的是，除了更有效率，功率元件還需要更加強于散熱，并支持靈活的熱管理。

新型功率元件實現(xiàn)了新方法

沒有封裝技術(shù)的根本進步，功率密度就不能持續(xù)提升。可用于現(xiàn)代系統(tǒng)構(gòu)建模塊的新型功率元件正在開發(fā)，這些模塊可提供更高的功率密度、更好的散熱性能、更大的降壓比和集成的磁性結(jié)構(gòu)。這些元件也有助于全新配電設(shè)計的出現(xiàn)，包括分比式電源架構(gòu)(Factorized Power Architecture，F(xiàn)PA)，并支持高壓直流(HVDC)等新的應(yīng)用，這有助于進一步提高效率，并使用替代能源。

那么，工程師如何充分利用現(xiàn)在可用的高性能構(gòu)建模塊，認(rèn)真考慮并著手構(gòu)建一個設(shè)計，負(fù)責(zé)設(shè)計一個項目中的優(yōu)化的電源系統(tǒng)呢?這確實是一個艱難的選擇——特別是當(dāng)這不是你的專業(yè)領(lǐng)域時。這里所需要的是一種有大量支持的無風(fēng)險方法，不允許出錯;重新投片價格昂貴，而且可能會導(dǎo)致錯過時機。

站在電源設(shè)計創(chuàng)新前沿的公司Vicor已經(jīng)率先推出了功率元件設(shè)計方法。工程師們可以利用一種行之有效的方法，采用業(yè)界成熟的元件，可預(yù)見和經(jīng)濟高效地配置高性能電源系統(tǒng)。

功率元件是由專業(yè)電源工程師針對效率、功率密度、瞬態(tài)響應(yīng)和EMI進行了全面優(yōu)化的專用模塊。通過這種方法，而不是使用分立元件開發(fā)電源鏈，所有這些關(guān)鍵參數(shù)都已經(jīng)過優(yōu)化，并為設(shè)計師準(zhǔn)備好了針對任何電源設(shè)計項目的一個最合適的解決方案。另外，這些模塊的結(jié)構(gòu)完全適合未來的設(shè)計重復(fù)使用，節(jié)省了時間和精力。

如果再結(jié)合可用的系列工具和資源，這種方法將以更低的風(fēng)險實現(xiàn)一個更加快速和更加簡單的設(shè)計周期，來完成項目，并將產(chǎn)品推向市場。

功率元件設(shè)計方法有三個步驟：確定、構(gòu)建和實施。

步驟1—確定

這是一個項目電源需求的“大局”觀，定義了電壓軌數(shù)量、電壓和電流的需求，同時考慮項目的時間。在這個階段，要做出這些需求的列表，并初步考慮可以用來滿足這些需求的產(chǎn)品類型。

圖1：第一步是列出項目的電源需求。在我們的這個例子中，我們假設(shè)有11路電壓軌，以遞減功率級別列于表中。為了方便，我們稱之為主電源軌(MR)和輔助電壓軌(AR)。備注欄中包含了所有特殊要求。

什么樣的產(chǎn)品能夠滿足要求呢?有很多這種信息的來源。例如，Vicor提供了一種解決方案選擇工具，可以搜索可用元件的數(shù)據(jù)庫，并推薦滿足客戶的輸入和輸出需求的解決方案。利用一個智能工具，如Vicor解決方案選擇工具(solution selector)，可將產(chǎn)生可能元件的候選者名單所需要的時間縮短到幾乎為零，并且可以很容易地根據(jù)對應(yīng)用來說最重要的標(biāo)準(zhǔn)，為特定設(shè)計選擇一個最佳的元件。大多數(shù)工程師恰恰沒有令人奢望的“學(xué)習(xí)時間”來手動完成這項重要任務(wù)。

圖2：使用Vicor的PowerBench工具來簡化元件選擇過程。

有哪些是可用的典型功率元件：

首先是功率傳輸。在這里，功率元件必須采用高壓直流或交流電源，并把它變換為一個安全特低電壓(SELV)。在很多高性能應(yīng)用中，工程師們正在利用高電壓和高電流將電源提供給他們的系統(tǒng)。由于來自器件的散熱，選擇熱適應(yīng)的元件至關(guān)重要。這些元件將需要放置在系統(tǒng)內(nèi)部的多個位置。這包括在一個機箱或主板上安裝的電源系統(tǒng)，而每個元件的相應(yīng)冷卻都需要加以考慮。

接下來是從SELV傳送功率至負(fù)載點。工程師們需要為他們的應(yīng)用謹(jǐn)慎選擇適當(dāng)?shù)碾妷很墶＿^多的轉(zhuǎn)換級將降低應(yīng)用的效率。近年來，電源設(shè)計已經(jīng)開始從12V軌轉(zhuǎn)向可提供更高系統(tǒng)效率的48V軌。我們面臨的挑戰(zhàn)是選擇能夠以最高效率提供合適性能的最佳元件。像Vicor的Whiteboard工具可幫助工程師們使用不同SELV來評估其設(shè)計的性能。

終于有了負(fù)載點元件的選擇?；谶x擇的SELV，工程師需要選擇達到PoL要求所需的元件，以便可以在高電流時達到低于1V。其中的隔離和調(diào)節(jié)是必需的，可以使用DC-DC轉(zhuǎn)換器，如Vicor DC轉(zhuǎn)換器模塊(DCM)。設(shè)計人員還可以使用專為分比式電源架構(gòu)設(shè)計的元件，其中的調(diào)節(jié)和電壓變換/隔離功能是分開的。選擇后者有助于設(shè)計人員獲得高功率密度，這相當(dāng)于具備了在一個小空間內(nèi)轉(zhuǎn)換大量電能的能力。

步驟2—構(gòu)建

構(gòu)建系統(tǒng)的第一個步驟是創(chuàng)建一個電源系統(tǒng)的方框圖，從輸出開始，然后向輸入后向推進。從最低功率級別開始它的運作更好，并從那里繼續(xù)工作，以便可以審查功率元件類別，并隨功率級別的增加在必要時做出改變。

根據(jù)適當(dāng)功率級別選擇正確的元件類別非常重要。例如，在低功耗條件下，系統(tǒng)級封裝產(chǎn)品(SiP)，如Vicor ZVS降壓穩(wěn)壓器是最好的解決方案。在較高功率級別，更好的方法可能是使用Vicor的ChiP產(chǎn)品(Converter housed in Package，轉(zhuǎn)換器級封裝)。根據(jù)驅(qū)動負(fù)載所需的電壓軌數(shù)量的復(fù)雜性，可以在應(yīng)用中使用SiP和ChiP的組合。

這將有助于實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的最大功率密度和成本效益，并保持系統(tǒng)中每個器件的高效率運行。

回頭看一下圖1，很明顯，前三路電壓軌(MR#1、2和3)是需要最高功率級別器件的電壓軌，而最后五路電壓軌(MR#7直到AR#2)是功率級別最低的器件。其余的(MR#4直到MR#6)介于兩者之間。在這里，設(shè)計人員將需要利用自己的判斷力，決定器件方面的選擇。完成了輸出工作后，就可以開始在系統(tǒng)框圖類別中建立一個我們需要的電源模塊和功率級別的畫面。

第2步-構(gòu)建-按類區(qū)分

圖3：從電源軌的需求分析，我們可以判斷最合適的功率元件類別。

第2步-構(gòu)建-框圖-工作回到輸入端(2)

第2步-構(gòu)建-框圖-如需要優(yōu)化評估

圖4：繼續(xù)剛才的工作，我們可以確定為每路電壓軌提供功率級別需要的元件類別。在這個級，我們應(yīng)該時刻牢記確保我們平衡負(fù)載，并利用每個器件的功率容量所需的功率級別。在這里，我們看到了我們原來估計的優(yōu)化。第2步-構(gòu)建-最終框圖

圖5：在這里，我們看到現(xiàn)在引入了驅(qū)動電壓軌的ACFE。這里非常重要的是判斷每路電壓軌上的負(fù)載，并確保負(fù)載均操作于接近具有合適安全裕度的最大值。

步驟3—實施

一旦模塊完成，設(shè)計人員需要為這些模塊匹配器件編號，同時注意實現(xiàn)功能和仿真各自功率轉(zhuǎn)換元件鏈的所有專用電路。需要開發(fā)的其他電路可能包括濾波器、保持電路和電源時序。在設(shè)計的這個階段，工程師還應(yīng)該考慮散熱、端接，以及封裝注意事項。

在我們的例子中，對電源有一些特殊的要求：在輔助電壓軌上升之前，MR#3上有一個延遲;而對MR#3嚴(yán)格調(diào)控將需要使用一個遙感回路。為實現(xiàn)精確的負(fù)載電流限制和精確匹配電壓軌和負(fù)載要求的其他參數(shù)，考慮配置PRM也是有意義的。

對于那些需要使用PRM來調(diào)整設(shè)計的工程師們，Vicor提供了一個PowerBench仿真工具，可幫助進一步了解系統(tǒng)的性能。

圖6：PowerBench PRM仿真工具。

設(shè)計和開發(fā)工具

在過去，工程師們是通過參考器件數(shù)據(jù)表的計算，做出元件選擇并分析每一級的電源系統(tǒng)效率(和總系統(tǒng)性能)。

從數(shù)據(jù)表查看功效

圖7：獲得性能信息可能既費時又費力。

雖然完全令人滿意，但這種方法可能會變得有點單調(diào)乏味。為了簡化設(shè)計流程和節(jié)省時間，Vicor最近推出了PowerBench白板工具(whiteboard)。白板工具是利用一組合適的Vicor電源轉(zhuǎn)換元件設(shè)計和分析電源系統(tǒng)的一個在線工具。利用白板工具就不再需要查看包含在數(shù)據(jù)表中的運行和效率參數(shù)，工程師只需利用在線工具繪制出電路框圖，所有計算即可在幾毫秒內(nèi)完成。

由Powerbench白板工具產(chǎn)生的更精確、更實際的轉(zhuǎn)換效率達93.17%(以毫秒為單位自動生成)

圖8：白板工具采用以毫秒為單位的自動分析設(shè)計，并提供性能數(shù)據(jù)，節(jié)約了時間和精力。

通過將系統(tǒng)熟悉的草圖符號保留在白板工具上，添加參數(shù)自動查找和計算，白板工具可進一步縮短使用功率元件設(shè)計方法完成一個設(shè)計的時間。

此外，Vicor的解決方案選擇工具還可與白板工具緊密結(jié)合。因此，解決方案選擇工具推薦的設(shè)計可以自動將設(shè)計導(dǎo)入白板工具，這樣工程師就不需要自己繪制系統(tǒng)。這時，工程師可以調(diào)整設(shè)計，以進一步滿足他們的需求，并快速了解設(shè)計的效率。

結(jié)論

功率元件已經(jīng)成為幫助工程師為當(dāng)今電子系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜、高性能電源系統(tǒng)的一個關(guān)鍵因素。因為電源設(shè)計專家已經(jīng)優(yōu)化了效率、功率密度、瞬態(tài)響應(yīng)、EMI和成本效益，幾乎所有電子工程師都可以利用這些器件開發(fā)出一個電源系統(tǒng)，來滿足具有挑戰(zhàn)性的高性能要求。

在要求更好散熱性能的推動下，近期出現(xiàn)了許多功率元件創(chuàng)新。ChiP平臺提供了采用雙面冷卻的強于熱散熱的解決方案，是板上電源一個很好的范例。在未來，其他創(chuàng)新將進一步簡化電源系統(tǒng)設(shè)計人員的任務(wù)，特別是在電源的前端。

這篇文章表明，功率器件設(shè)計方法提供了一個簡單的三步方法，使工程師，即使不是電源專家，也可以構(gòu)建能夠提供高效率和高功率密度的復(fù)雜電源鏈。通過使用在線工具，這種方法得以進一步簡化。但是，不像許多設(shè)計方案那樣，功率元件設(shè)計方法消除了來自設(shè)計過程的痛苦和風(fēng)險，而無需工程師花時間學(xué)習(xí)技術(shù)。無需特殊培訓(xùn)，工程師們就可以使用這一方法，縮短研發(fā)時間，同時確保優(yōu)化他們的下一個電源鏈，以提供所需的性能。