如何設(shè)計多重負(fù)載系統(tǒng)電源

在過去 10 年里,業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出多種設(shè)計工具來幫助電源設(shè)計師完成單個直流至直流電源的設(shè)計。這些工具均具備零件選擇、物料成本計算、仿真及建模功能，能夠簡化了設(shè)計流程、加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。但設(shè)計的復(fù)雜性在不斷提高，一塊印刷電路板上往往需要 10 個或更多的電源。目前市場上已出現(xiàn)一種全新的設(shè)計工具，能夠同時配置和設(shè)計多重負(fù)載電源系統(tǒng)，而且還有助于縮小方案體積、提高系統(tǒng)效率以及降低系統(tǒng)成本。

　　設(shè)計單個電源

　　在電源設(shè)計流程的最初階段，工程師首先要確定電壓與電流規(guī)格，包括最低與最高輸入電壓、輸出電壓及負(fù)載電流。用戶必須針對組件大小、效率及成本，確定整體設(shè)計目標(biāo)。然后，設(shè)計師可以使用美國國家半導(dǎo)體 WEBENCH? 設(shè)計工具的可視化功能來獲得最符合設(shè)計要求的解決方案。

　　如圖 1 顯示,輸入為 14至22V，輸出為 3.3V、1A 典型降壓電源的不同解決方案。y 軸表示組件大小，x 軸表示效率，圓圈大小表示物料總成本。在此案例中，顯示了一組在輸入下可能獲得的 50 種不同設(shè)計，而不同設(shè)計之間的性能存在很大差異。這是由于：A) 開關(guān)頻率不同，B) 設(shè)備有同步與異步開關(guān)之分，C) 控制器設(shè)備有外置 FET 與集成 FET 之分。圖標(biāo)方式有助于設(shè)計師獲得符合目標(biāo)的最優(yōu)解決方案。

　
　　圖1：一組在特定輸入下方案大小、效率及物料成本之間進(jìn)行權(quán)衡后50種不同的電源解決方案

　　Footprint 方案大小

　　BOM Cost 物料清單成本

　　Efficiency 效率

　　系統(tǒng)級設(shè)計
　　如果采用此單個電源設(shè)計方法并將其應(yīng)用至整個系統(tǒng)，則可行的設(shè)計方法數(shù)量就會大幅增加。如圖2顯示,具有FPGA、內(nèi)存、通信及馬達(dá)控制元素的系統(tǒng)板。

　　圖 2：單個系統(tǒng)板中的多重直流負(fù)載示例。此示例需要多重電源解決方案。

　　Power Supply ProtecTIon 電源與保護(hù)

　　Many loads, Many Supplies 多負(fù)載、多電源

　　Core Supply 核心電源

　　FPGA IO FPGA IO

　　Vcca Vcca

　　Flash

閃存

　　SDRAM SDRAM

　　CCD CCD

　　PLL PLL

　　Motor Control 馬達(dá)控制

　　Miscellaneous 其它

　　9 Loads and 5 Voltages 9 個負(fù)載和 5 種電壓

　　本系統(tǒng)具有48V輸入和9個負(fù)載。設(shè)計系統(tǒng)電源的第一項任務(wù)是將電壓分組在一起，因此我們共有五種電壓。繼而，設(shè)計師需要確定所需的架構(gòu)，包括是否需要在源電源與負(fù)載點電源之間放置一個或多個中間電壓軌。這種情況如圖3中所示。

　　中間電壓軌可通過將不同電源的工作周期限制為最佳范圍來提高效率，從而提高系統(tǒng)性能。它還可以通過下列方式來減少成本和方案大小：將高壓組件限制為中間電源，同時允許下游電源使用低壓組件，而低壓組件通常價格更便宜且體積更小，尤其是在使用陶瓷電容器時，更是如此。確定電壓軌架構(gòu)后，設(shè)計師需要優(yōu)化電源以減小方案大小、提高效率及/或降低成本。

　
　　圖 3是1個12伏特中間電壓軌電源和4個負(fù)載點電源組成的典型電源系統(tǒng)架構(gòu)。上圖同時也是每個電源的最優(yōu)解決方案圖表，其中包括大量需要考慮的選項。

　　Intermediate Rail (12V) 中間電壓軌 (12V)

　　Supply 2 (1.25V) 電源 2 (1.25V)

　　Supply 3 (3.3V) 電源 3 (3.3V)

　　Supply 4 (1.8V) 電源 4 (1.8V)

　　Suppl

y 5 (2.5V) 電源 5 (2.5V)

　　Loads 負(fù)載

　　采用此方法帶來多種可能性。例如，如果有5個不同的電壓軌架構(gòu)和5個不同的電源，而每個電源又有50個可能的電源解決方案，則設(shè)計師現(xiàn)在需要考慮1250個選項。再加上5種不同的效率、方案大小和成本優(yōu)化解決方案，則需要審閱的解決方案總數(shù)將增加至6250個。因此，關(guān)鍵是要縮小選擇范圍，并使用可視化工具來生成符合設(shè)計目標(biāo)的最佳解決方案。圖4 顯示了通過WEBENCH Power Architect工具生成的不同系統(tǒng)級設(shè)計的圖表。圖表中的每個圓圈面積均代表不同的架構(gòu)/電壓軌配置，以及方案大小、物料成本或效率的不同優(yōu)化解決方案。正如圖中所示，不同解決方案之間的差異非常大。
y 5 (2.5V) 電源 5 (2.5V)

由9個負(fù)載電源成系統(tǒng)的25個系統(tǒng)解決方案圖表。圖中的顏色代表不同的優(yōu)化解決方案，每個解決方案分別著重于減小系統(tǒng)方案大小、降低系統(tǒng)物料成本或提高系統(tǒng)效率。

　　System BOM Cost 系統(tǒng)物料成本

　　System Footprint 系統(tǒng)方案大小

　　System Efficiency 系統(tǒng)效率

　　優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計
　　在圖4中，不同的顏色代表不同的設(shè)計優(yōu)化解決方案。在為提高效率而優(yōu)化的設(shè)計中，降低了設(shè)計的開關(guān)頻率，以減少交流開關(guān)功率損耗并提高系統(tǒng)效率。但是，為了使電感器紋波電流在較低頻率下保持不變，特地增加了電感，從而增加了電感器覆蓋面積，最終導(dǎo)致整體系統(tǒng)方案變大。同時還導(dǎo)致 物料成本增加，而這正是采用較大組件的典型解決方案。

　　圖標(biāo)右上角的深藍(lán)色表示這些設(shè)計。與此相反，在為減小系統(tǒng)方案大小而優(yōu)化的設(shè)計中，則降低了頻率，從而允許減小電感與電感器大小，同時使電感器紋波電流保持不變。較小的零件通常會更便宜，整體物料成本也因此而降低。最優(yōu)解決方案增加了交流開關(guān)功率損耗，而降低了效率。這些結(jié)果在圖表的左下部分以紅色表示。圖表中所示的其它顏色均為這兩個極限值之間的最優(yōu)解決方案。

　顯示具有最低物料清單成本、最小組件覆蓋面積以及最高效率選項，且由9個負(fù)載電源所組成系統(tǒng)的系統(tǒng)解決方案總結(jié)。

　　Lowest Cost 最低成本

　　Smallest Footprint 最小方案

　　Highest Efficiency 最高效率

　　顯示的是電源解決方案數(shù)組的極限值，顯而易見，我們需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。要獲得91%的最高系統(tǒng)效率，系統(tǒng)物料成本與組件大小將會比其它極限值選項分別高2.8與4.3 倍。與此相反，要獲得最低物料成本或最小方案，效率將會降至85%。但設(shè)計師也可以選擇介于這些極限值之間的選項。因此，我們得出如下結(jié)論：憑借可讓用戶減少并可視化大量多重負(fù)載系統(tǒng)級電源解決方案的工具，可以在設(shè)計階段節(jié)省大量時間，并根據(jù)設(shè)計師的特定需求最終獲得最優(yōu)解決方案。