如何設計多重負載系統電源

在過(guò)去 10 年里,業(yè)界已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種設計工具來(lái)幫助電源設計師完成單個(gè)直流至直流電源的設計。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(jiǎn)化了設計流程、加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。但設計的復雜性在不斷提高，一塊印刷電路板上往往需要 10 個(gè)或更多的電源。目前市場(chǎng)上已出現一種全新的設計工具，能夠同時(shí)配置和設計多重負載電源系統，而且還有助于縮小方案體積、提高系統效率以及降低系統成本。

　　設計單個(gè)電源

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

　　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 種不同設計，而不同設計之間的性能存在很大差異。這是由于：A) 開(kāi)關(guān)頻率不同，B) 設備有同步與異步開(kāi)關(guān)之分，C) 控制器設備有外置 FET 與集成 FET 之分。圖標方式有助于設計師獲得符合目標的最優(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

　　系統級設計
　　如果采用此單個(gè)電源設計方法并將其應用至整個(gè)系統，則可行的設計方法數量就會(huì )大幅增加。如圖2顯示,具有FPGA、內存、通信及馬達控制元素的系統板。

　　圖 2：?jiǎn)蝹€(gè)系統板中的多重直流負載示例。此示例需要多重電源解決方案。

　　Power Supply ProtecTIon 電源與保護

　　Many loads, Many Supplies 多負載、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 馬達控制

　　Miscellaneous 其它

　　9 Loads and 5 Voltages 9 個(gè)負載和 5 種電壓

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

　　中間電壓軌可通過(guò)將不同電源的工作周期限制為最佳范圍來(lái)提高效率，從而提高系統性能。它還可以通過(guò)下列方式來(lái)減少成本和方案大?。簩⒏邏航M件限制為中間電源，同時(shí)允許下游電源使用低壓組件，而低壓組件通常價(jià)格更便宜且體積更小，尤其是在使用陶瓷電容器時(shí)，更是如此。確定電壓軌架構后，設計師需要優(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(gè)12伏特中間電壓軌電源和4個(gè)負載點(diǎn)電源組成的典型電源系統架構。上圖同時(shí)也是每個(gè)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 負載

　　采用此方法帶來(lái)多種可能性。例如，如果有5個(gè)不同的電壓軌架構和5個(gè)不同的電源，而每個(gè)電源又有50個(gè)可能的電源解決方案，則設計師現在需要考慮1250個(gè)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將增加至6250個(gè)。因此，關(guān)鍵是要縮小選擇范圍，并使用可視化工具來(lái)生成符合設計目標的最佳解決方案。圖4 顯示了通過(guò)WEBENCH Power Architect工具生成的不同系統級設計的圖表。圖表中的每個(gè)圓圈面積均代表不同的架構/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(gè)負載電源成系統的25個(gè)系統解決方案圖表。圖中的顏色代表不同的優(yōu)化解決方案，每個(gè)解決方案分別著(zhù)重于減小系統方案大小、降低系統物料成本或提高系統效率。

　　System BOM Cost 系統物料成本

　　System Footprint 系統方案大小

　　System Efficiency 系統效率

　　優(yōu)化系統設計
　　在圖4中，不同的顏色代表不同的設計優(yōu)化解決方案。在為提高效率而優(yōu)化的設計中，降低了設計的開(kāi)關(guān)頻率，以減少交流開(kāi)關(guān)功率損耗并提高系統效率。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，最終導致整體系統方案變大。同時(shí)還導致 物料成本增加，而這正是采用較大組件的典型解決方案。

　　圖標右上角的深藍色表示這些設計。與此相反，在為減小系統方案大小而優(yōu)化的設計中，則降低了頻率，從而允許減小電感與電感器大小，同時(shí)使電感器紋波電流保持不變。較小的零件通常會(huì )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(kāi)關(guān)功率損耗，而降低了效率。這些結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(gè)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(gè)負載電源所組成系統的系統解決方案總結。

　　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組的極限值，顯而易見(jiàn)，我們需要進(jìn)一步優(yōu)化設計。要獲得91%的最高系統效率，系統物料成本與組件大小將會(huì )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(huì )降至85%。但設計師也可以選擇介于這些極限值之間的選項。因此，我們得出如下結論：憑借可讓用戶(hù)減少并可視化大量多重負載系統級電源解決方案的工具，可以在設計階段節省大量時(shí)間，并根據設計師的特定需求最終獲得最優(yōu)解決方案。