優(yōu)化供電網(wǎng)絡(luò)的一些經(jīng)驗(yàn)法則

隨著行業(yè)對(duì)盡可能減少和消除浪費(fèi)的重視，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師有責(zé)任優(yōu)化整體電源架構(gòu)。每個(gè)電子設(shè)備都有一個(gè)供電網(wǎng)絡(luò) (PDN)，通常包括但不限于線纜、母線排、連接器、電路板銅箔電源層、 AC - DC 和 DC - DC 轉(zhuǎn)換器及穩(wěn)壓器。該網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)組件都會(huì)影響設(shè)計(jì)功能的好壞，因?yàn)樗鼘⒂龅骄€路、負(fù)載和環(huán)境的變化。

過去，電源架構(gòu)一直在產(chǎn)品開發(fā)的后期階段確定，這時(shí)候空間和選項(xiàng)已經(jīng)受限。將架構(gòu)設(shè)計(jì)安排在該流程早期階段的更積極主動(dòng)的方法，有助于創(chuàng)建更穩(wěn)健的系統(tǒng)，可在開發(fā)過程中適應(yīng)不斷變化的設(shè)計(jì)規(guī)格。

電源設(shè)計(jì)人員經(jīng)常關(guān)注轉(zhuǎn)換，以便最大限度提高轉(zhuǎn)換效率并最大限度降低功耗。主要驅(qū)動(dòng)因素是熱管理，因?yàn)檗D(zhuǎn)換階段通常是熱負(fù)荷的最大來源之一。高功耗需要更復(fù)雜、更廣泛的散熱方法，這都將增加成本和尺寸，特別是惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。

耗散功率是輸入功率和輸出功率之間的差值。一種是通過將電源轉(zhuǎn)換器的額定功率除以其十進(jìn)制等效效率來確定電源轉(zhuǎn)換器的耗散功率：一個(gè)額定功率為 100W、效率為 80% 的轉(zhuǎn)換器，將具有 125W 的輸入功率和 25W 的耗散功率。必須以這種方式考慮系統(tǒng)中的每個(gè)元件，以確定系統(tǒng)的總損耗，這一點(diǎn)至關(guān)重要。提高效率，即使提高一點(diǎn)點(diǎn)，也能顯著降低損耗。例如，效率提高 10 個(gè)百分點(diǎn)（在本示例中，提高到 90%），可能看起來并不多，但這會(huì)將功耗降低一半以上：從 25W 降至 11.1W。

這種效率的提高對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)有何影響？除了降低轉(zhuǎn)換器的熱影響外，還會(huì)減少對(duì)輸入電源的需求，需要提供的電源更少。此外，這種較低的功耗還意味著：給定輸入電壓時(shí)，電源電流也更低。按照歐姆定律，可將功耗看成電壓和電流的乘積，以及電阻和電流平方的乘積（P = VI = I2R）。在供電網(wǎng)絡(luò)的分析中，電阻經(jīng)常被忽略。從電源到負(fù)載的所有路徑都有固定的電阻。它們都與總系統(tǒng)的功耗有關(guān)。此外，還必須考慮安全及穩(wěn)定性組件，這些組件是整體功耗的主要來源，其中包括保險(xiǎn)絲、斷路器以及用于減少電磁干擾并讓電壓平穩(wěn)的濾波器。在所有這些元件中，都有一個(gè)壓降損失，會(huì)降低開關(guān)穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性，并在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生其它問題。

如 CPU、脈沖負(fù)載或電機(jī)等功率波動(dòng)較大的終端設(shè)備（供電網(wǎng)絡(luò)供電的設(shè)備）將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器輸入輸出的電壓出現(xiàn)顯著變化。一般而言，轉(zhuǎn)換器遇到的電源阻抗應(yīng)該比轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)的最低阻抗小 10 倍。

回到效率為 90% 的 100W 轉(zhuǎn)換器示例中，假設(shè)該器件的工作輸入范圍是 18 至 36V。輸入為 18V 時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出電流約為 6.2A。因此，轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗 (R) 為 V/I 或 18/6.2 = 2.9Ω。36V 時(shí)，輸入電流為一半，因此阻抗是 11.7Ω。在轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗最低時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確保穩(wěn)定工作的電源阻抗不應(yīng)該超過 0.29Ω。

圖 1:  一個(gè) 12V 低壓 PDN 為 5 個(gè)獨(dú)立負(fù)載供電。在本示例中，負(fù)載為低電壓（不足 5VDC），在這些負(fù)載和轉(zhuǎn)換器之間流動(dòng)的電流較大（由粗線跡顯示）。

需要注意的是，在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性很重要。這種簡單的電阻討論沒有考慮到電阻元件，例如電容和電感，如果理解不好，這些電阻元件可能的確會(huì)引起共振及其它問題，這是顯而易見的。本文不討論這些主題。

如何優(yōu)化與系統(tǒng)功耗息息相關(guān)的 PDN？

無論是分析現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，還是從頭創(chuàng)建一個(gè)新的架構(gòu)，方法都一樣。

圖 2:  改進(jìn)的 PDN，電源電壓從 12VDC 提高到 48VDC。這 5 個(gè)獨(dú)立負(fù)載的電流要求與第一個(gè)示例所示的一樣。由于較高的電源電壓，從電池流到轉(zhuǎn)換的電流較低（用細(xì)線跡表示）。

首先：盡管聽起來可能很明顯，但也請使用所提供的最高效轉(zhuǎn)換器。分兩部分考慮 PDN：從實(shí)際應(yīng)用負(fù)載到第一個(gè)轉(zhuǎn)換（包括所有中間轉(zhuǎn)換）的輸出，以及從電源到第一個(gè)轉(zhuǎn)換的輸入。

應(yīng)用負(fù)載將具有預(yù)先確定的最小電壓要求?，F(xiàn)代電子系統(tǒng)的電流需求可能很高，在某些情況下，在不足 1V 的電壓下，可能會(huì)超過 1000A。為了將這些應(yīng)用中的損耗降到最低，負(fù)載點(diǎn) (PoL) 轉(zhuǎn)換器一般布置在用電負(fù)載附近。

PoL 避免了轉(zhuǎn)換器和負(fù)載之間很長的布線距離，這是常規(guī)電源的特征，而且提供精確電壓電源，滿足低電壓/大電流的需求。PoL 應(yīng)該盡可能靠近其供電負(fù)載的物理位置，以盡量減少互連電阻。

向輸入方向靠近時(shí)，PoL 輸入電壓應(yīng)盡可能高?？紤]一個(gè)為 5 個(gè)獨(dú)立負(fù)載供電的 12V 低電壓 PDN。在本示例中，負(fù)載為低電壓（不足 5VDC），在這些負(fù)載和轉(zhuǎn)換器之間流動(dòng)的電流較大。

這樣的設(shè)置可以是傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)電源、車載電源系統(tǒng)，也可以是無人機(jī)有效載荷。PoL輸入端存在固定的路勁電阻，將帶來給定工作功率等級(jí)下的特定功耗。如果我們能在相同的功率下將電壓提高 4 倍（即 48V），這條線路上流過的電流現(xiàn)在就是之前的四分之一。由于功率方程式中有電流的平方項(xiàng)，因此新功耗會(huì)顯著減少，電壓偏差也會(huì)降低。

此外，48V 是良好的配電電壓，因?yàn)樗苍诎踩碗妷?(SELV) 的限制范圍內(nèi)， IEC 將其定義為具有低觸電風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于現(xiàn)有應(yīng)用而言，提高電壓需要不同的 PoL。在這里，使用封裝尺寸相同器件的模塊化方法將是一項(xiàng)輕松的轉(zhuǎn)換，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器將是直接替換件。

示例：系留無人機(jī)供電網(wǎng)絡(luò)

圖 3:  上面是針對(duì)要求 500W 功率的機(jī)載工具，在每個(gè)系線導(dǎo)體中的不同電源電壓下，比較電流、壓降和功耗降低情況。下面是從地面電源至機(jī)載工具的優(yōu)化系留無人機(jī) PDN。系線內(nèi)使用的 800V 電壓可最大限度減少無人機(jī)工作造成的重要傳輸損耗和電壓變化。電流明顯低于使用較低電源電壓的電流，因此轉(zhuǎn)而采用 800V 還有進(jìn)一步的優(yōu)勢：允許使用更小規(guī)格的導(dǎo)體，可能會(huì)減少系線風(fēng)偏和重量。

考慮系留無人機(jī)或無人機(jī)的一個(gè)更為極端的示例，具體來說，電源到第一次轉(zhuǎn)換的影響。系線代表地面電源間的接口。

假設(shè)無人機(jī)系線長 100 英尺并包含 24A-WG 導(dǎo)線，每根導(dǎo)線的電阻約為 2.5Ω/100 英尺。在 48-V 配電時(shí)，該系線的電流約為 10A；100 英尺雙向電阻是 5Ω，因此系線的功耗為 500W！顯然，該無人機(jī)根本無法起飛，因?yàn)橄稻€會(huì)耗盡所有電源，該飛行器無任何動(dòng)力。

現(xiàn)在考慮使用更高的輸入電壓。假設(shè) 400V 系統(tǒng)與上述條件相同。

400V 配電時(shí)，系線電流會(huì)下降至約 1.25A，而且系線功耗僅為大約 8W。將輸入增加一倍至 800V，會(huì)將系線電流降低至約 0.6A，從而可將系線功耗降低至約 2W。較低的抽電流有助于使用更小規(guī)格的系線導(dǎo)體，從而不僅可減少阻力和風(fēng)偏，同時(shí)還可降低無人機(jī)對(duì)電力的需求。

功耗很重要，但系線末端的穩(wěn)壓也很重要。無人機(jī)上的穩(wěn)壓器會(huì)有一個(gè)定義好的輸入電壓范圍。系線電阻有壓降。鑒于 24A-WG 100 英尺的系線以及其 5-Ω 往返電阻，每安培電流有 5V 的壓降。此外，減少系線上的壓降，也可降低壓降與所用電壓的比率，從而可進(jìn)一步改善穩(wěn)壓：如果電壓翻倍、電流減半，系線上的壓降也會(huì)減半，而且系線壓降與負(fù)載電壓的比率則為四分之一。

顯然，將地面電源增加至 800V，是優(yōu)化通過系線傳輸電力的途徑。但無人機(jī)必須將這 800V 的電壓降壓轉(zhuǎn)換為低電壓，才能為其電機(jī)和電子設(shè)備供電。對(duì)于 PDN 的這一部分，機(jī)載電子設(shè)備的 48V 最有意義，原因如前所述。

綜上所述，優(yōu)化 PDN 的路徑可以歸納為 6 個(gè)步驟：

01 先考慮電源。一旦有了最初的電源需求，就得為模塊化電源設(shè)計(jì)預(yù)留空間。模塊化方法不僅靈活，而且擴(kuò)展也很便捷。

02 請注意電流路徑中的每個(gè)元件。

03 使用允許的最高電壓，減少所需的電流。

04 使用最高效的轉(zhuǎn)換元件降低轉(zhuǎn)換損耗。

05 使用最高功率密度的器件，以便接近負(fù)載布置。

06 盡量減少互連電阻，這不僅可降低壓降，而且還可降低功耗。

來源：Vicor

作者：Jeff Ham