輕松設計多級工業(yè)電源

美國國家半導體已推出SIMPLE SWITCHER? 產(chǎn)品系列多款電源模塊。其中，LMZ 系列模塊是高集成度、高效降壓穩壓器，采用新型高性能封裝。它集成電感器與單片同步穩壓器此外，美國國家半導體推出了全新在線(xiàn)工具 WEBENCH? Power Architect，該工具可以讓工程師在幾秒內完成構思設計、建模及方案落實(shí)，從而迅速為整個(gè)電子系統設計出高性能的多輸出直流/直流電源，以往這些工作則需花數個(gè)小時(shí)的時(shí)間。

本文詳細介紹了如何在典型工業(yè)用24V電源環(huán)境下，借助WEBENCH Power Architect 中的新的電源模塊來(lái)設計高效的多輸出電源。該工業(yè)用24V電源在第一階段中將電源轉換為中間電壓軌，最后轉換為典型負載點(diǎn)電壓和負載點(diǎn)電流。本文旨在說(shuō)明各個(gè)階段的設計方法及其根據項目要求易于修改和優(yōu)化的特性。

圖 1 _SS 電源模塊 PR2290

各種工業(yè)應用對電源的要求基本相同。下面引用的是典型應用如 FPGA 電源等所需的主要參數值。在馬達控制、自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )和機器視覺(jué)領(lǐng)域中，可以依照此步驟采用相同的設計方法。

第一步確定電源輸入的可能電壓值：

Vin nom operating：24V

Vin operating：18V~30.5V

Vin transient：36V~42V

Tambient operating：-40℃~+85℃（不含外部散熱器或風(fēng)扇）

在這里將略過(guò) IEC 61132 PLC 規定的靜電釋放 (ESD)、突發(fā)和浪涌以及電流注入等要求。因此，可以單獨設計電源，而無(wú)需考慮為滿(mǎn)足上述測試要求而設計系統穩健性的保護電路。

我們使用美國國家半導體的 WEBENCH Power Architect工具設計多輸出方案，可通過(guò) www.national.com/analog/webench/power_architect 訪(fǎng)問(wèn)這一創(chuàng )新的在線(xiàn)工具。在該工具啟動(dòng)后的登陸頁(yè)面（配置步驟）上將看到一個(gè)面板，在面板上可以填寫(xiě)輸入和負載規格。應以實(shí)際應用中負載的名稱(chēng)命名填寫(xiě)的輸入負載。

電源：“24V 工業(yè)電壓軌” VMin：18V VMax：42V Tambient：85℃

應使用“添加負載”按鈕設定各負載規格。

LOAD_1：“FPGA 核” VLoad：1.2V ILoadMax：4A

LOAD_2：“模擬電源” VLoad：2.5V ILoadMax：0.5A

LOAD_3：“I/O 電源” VLoad：3.3V ILoadMax：0.5A

LOAD_4： “I/O 電源” VLoad：1.8V ILoadMax：0.5A

LOAD_5：“通用用途” VLoad：5V ILoadMax：1A

我們可以盡可能地使用模塊，并選擇“首選模塊解決方案”選項。

點(diǎn)擊“提交項目要求”按鈕將啟動(dòng)復雜的計算和優(yōu)化過(guò)程，最終將通過(guò)三種不同的設計工具顯示多個(gè)解決方案。在第一次選擇中可以限制顯示的解決方案數量，以便簡(jiǎn)化結果。

表格與框圖：

每行代表一個(gè)完整的多輸出電源設計方案，并列出了主要的系統參數。高亮顯示的一行，代表著(zhù)具有最佳效率與成本的備選方案，其對應的框圖顯示在右側。

圖形化圖表（圖 2）：

圖 2 _Webench PA_ 優(yōu)化項目階段_ 圖形

圖 3 _Webench PA_優(yōu)化項目階段_撥盤(pán)

每個(gè)圓對應表格中的一行，將鼠標移到圓上方即可識別特定設計。本圖可讓您輕松了解占位面積（y 軸）、效率（x 軸）和成本（圓的面積大?。┲g的關(guān)系。

“優(yōu)化調諧”撥盤(pán)（圖 3）的指針可向“最低 BOM 成本”或“最高效率”方向轉動(dòng)。這將在圖形和表格（圖 2）中添加更多的設計解決方案。黃色圓對應著(zhù)表格中高亮標注的設計和實(shí)際顯示出的框圖。參考其它圓與優(yōu)化撥盤(pán)刻度的背景色色差，可以了解到相關(guān)的優(yōu)化策略。

這樣，設計師便能一目了然地看出選擇某個(gè)總線(xiàn)電壓或解決方案架構對成本和效率的影響。

我們將在后續步驟中，使用 WEBENCH 高亮標出的具有最佳性能的設計方案，，總線(xiàn)電壓設定為 5V，這是為了讓工作在5V 電壓軌下的零件能獲得最佳效率和性?xún)r(jià)比。

單擊“查看項目詳細信息”的按鈕可進(jìn)入下一級頁(yè)面，將顯示出最終框圖（如圖 4所示）、所選的電源模塊的原理圖，以及顯示出每個(gè)模塊功耗、價(jià)格和占位面積間比例關(guān)系的餅圖（如圖 5所示）。圖表中的顏色對應著(zhù)框圖中相應的模塊。

圖 4 _Webench PA_查看項目階段_圖解 1

圖 5 _Webench PA_查看項目階段_餅圖 1

到這里我們可以認為設計已經(jīng)完成，選定的解決方案僅使用了電源模塊就帶來(lái)了上述全部?jì)?yōu)勢。

Power Architect 還提供了進(jìn)一步優(yōu)化所選架構的可能。它允許在選定的設計中替換零件。在我們的示例中，我們注意到第一階段中的 LMZ14203 模塊是導致功率損耗的最主要因素（如圖 6所示）。在餅圖下方的窗口中單擊該器件，并選擇“替代方案”（如圖 7所示）。將器件按效率排序（單擊相應的列）并選擇 LM3150，這樣即將總效率提高 5%，達到 79%。另一個(gè)優(yōu)化選項為解決方案成本，餅圖顯示了負載電流僅為0.5A 的三個(gè)模塊對成本的巨大影響。因此，我們按“BOM 美元成本”排序，將“替代方案”中的這三個(gè)模塊替換為 LM3674，這樣可使系統總效率仍保持較高的水平 (81%)，但同時(shí)能削減一半以上的方案成本。

圖 6 _Webench PA_查看項目階段_圖解 2

圖 7 _Webench PA_查看項目階段_餅圖 2

結論

使用WEBENCH Power Architect可在幾秒內設計出多輸出電源，在進(jìn)行多個(gè)工業(yè)標準設計時(shí)，它具有極大的設計與優(yōu)化的靈活性。電源模塊為這些設計提供了最高的集成度和可靠性。美國國家半導體將會(huì )發(fā)布更多用于電源模塊的電壓和功率選項，這將極大地增加此類(lèi)復雜的電源解決方案的設計靈活性。