電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)談

最近，我遇見了一個老朋友，他是一位很有經(jīng)驗(yàn)的模擬電路工程師，從事高可靠服務(wù)器用電源子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。他說，他設(shè)計(jì)的寬度為 19 英寸的典型機(jī)架安裝電路板要消耗 100A 的電流。我對此一點(diǎn)也不感到驚訝。我們都知道，今天的處理器耗電很大，因?yàn)樾酒嫌袔装偃f個有源器件，其耗電累加起來也就不得了。

但我的朋友又披露了另一個統(tǒng)計(jì)數(shù)字：他設(shè)計(jì)的典型電路板上有約 30 個獨(dú)立的電源網(wǎng)絡(luò)。每個電源網(wǎng)絡(luò)都有不同的標(biāo)稱電源電壓、精度以及調(diào)整率;在有些情況下，這些標(biāo)稱電壓只相差十分之幾伏。再則，每個電源網(wǎng)需要有自己的穩(wěn)壓器以及一系列去耦電容器，以便控制從近乎直流直至幾百千赫帶寬內(nèi)的旁路阻抗。設(shè)計(jì)師必須分析并實(shí)現(xiàn)每個電源網(wǎng)絡(luò)的供電與返回路徑，以及大量的 PCB 板走線。在最終設(shè)計(jì)中，直流電源子系統(tǒng)的走線與電容器要占去電路板面積的一大部分。設(shè)計(jì)師必須精心建立所有這些因素的模型，以確保電流路徑得當(dāng)，以及 IR 壓降很小。在達(dá)到這些電流電平時，這可不是件簡單的工作。

然而，高質(zhì)量電源子系統(tǒng)與其配電系統(tǒng)之間卻存在一個難題。盡管供電在任何系統(tǒng)中都是一種不可或缺的功能，但它卻無法獲得用戶的直接贊賞或認(rèn)同。用戶需要的是額外的特性、功能和性能;供電被看作設(shè)計(jì)中固有的部分。增加特性有利于營銷宣傳，并獲得更多的利潤，而電源網(wǎng)絡(luò)的元件成本和占板面積卻沒有這些好處。事實(shí)上，有些人會把電源子系統(tǒng)占用的電路板面積看作沒有意義的負(fù)擔(dān)，就像財(cái)務(wù)部門或郵件收發(fā)室一樣。

我希望，你作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師或電路設(shè)計(jì)師能對物料清單上的元器件的選擇產(chǎn)生重大影響。我的這位朋友指出，為最大限度地減小電源網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，你可以做幾件基本工作。首先，要幫助電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師開發(fā)設(shè)計(jì)一組基本的穩(wěn)壓器(可以使用線性穩(wěn)壓或開關(guān)穩(wěn)壓技術(shù))，這樣，你就可以在電路板上重用這些設(shè)計(jì)。為了使這項(xiàng)工作有價值，你還應(yīng)該根據(jù)每一個標(biāo)稱電壓來平衡電流負(fù)載，使之處于同一范圍內(nèi)，因?yàn)槟阏也坏揭环N經(jīng)濟(jì)實(shí)惠設(shè)計(jì)能支持 10mA 和 1A 兩種負(fù)載。

其次，你還必須律已。面對浩瀚的 IC 世界，切忌貪婪心態(tài)。要選擇那些共同使用標(biāo)稱電壓較少的元件。要努力尋找符合數(shù)據(jù)表規(guī)格的部件，盡管其電源調(diào)整率為5%，因?yàn)楦鼑?yán)格的規(guī)格會限制電源的靈活性。要使用標(biāo)準(zhǔn)的多輸出電源的電壓組合(最好來自多個廠家)，這樣就可以成對地選擇不同的輸出電流和調(diào)整率，以支持多個 IC，而不是僅僅支持一兩個 IC。

你要在兩個方面進(jìn)行權(quán)衡：一方面是你想選用最合適的 IC，另一方面你在了解其獨(dú)特的電源要求時電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的影響后想獲得所需的特點(diǎn)與功能。換句話說，你要做工程師們經(jīng)常做的折衷工作(這些工作有時一目了然，但一般都難以定奪)：權(quán)衡優(yōu)缺點(diǎn)，對折衷方案作出評判，努力達(dá)到能滿足市場要求的功率、價格和性能最佳點(diǎn)。