電源系統設計的無(wú)風(fēng)險路徑(上)

　　摘要：現在，高性能電源系統已經(jīng)有了長(cháng)足進(jìn)展，設計人員正在使用多個(gè)輸入電壓，驅動(dòng)種類(lèi)繁多應用的多路電壓軌。為了確保PoL穩壓器盡可能靠近負載的需求，設計人員需要在一個(gè)非常小的范圍實(shí)現大量功率轉換功能。與此同時(shí)，企業(yè)資源正趨于擴展到工程師，常常是由多面手，而不是電源專(zhuān)家來(lái)負責設計電源系統。因此，當今復雜的電源要求可能令設計人員非常頭痛：如何利用不同資源為多樣化的負載提供高性能電源，從而保證架構的所有部分都在其功率和散熱范圍內運行，同時(shí)還可優(yōu)化效率和成本目標。

　　工程師如何充分利用現在可用的高性能構建模塊，認真考慮并著(zhù)手構建一個(gè)設計，負責設計一個(gè)項目中的優(yōu)化的電源系統呢?這確實(shí)是一個(gè)艱難的選擇——特別是當這不是你的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域時(shí)。這里所需要的是一種有大量支持的無(wú)風(fēng)險方法，不允許出錯;重新投片價(jià)格昂貴，而且可能會(huì )導致錯過(guò)時(shí)機。

　　站在電源設計創(chuàng )新前沿的Vicor公司率先推出了功率元件設計方法。工程師們可以利用一種行之有效的方法，采用業(yè)界成熟的元件，可預見(jiàn)和經(jīng)濟高效地配置高性能電源系統。

　　功率元件是由專(zhuān)業(yè)電源工程師針對效率、功率密度、瞬態(tài)響應和EMI進(jìn)行了全面優(yōu)化的專(zhuān)用模塊。通過(guò)這種方法，而不是使用分立元件開(kāi)發(fā)電源鏈，所有這些關(guān)鍵參數都已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，并為設計師準備好了針對任何電源設計項目的一個(gè)最合適的解決方案。另外，這些模塊的結構完全適合未來(lái)的設計重復使用，節省了時(shí)間和精力。

　　如果再結合可用的系列工具和資源，這種方法將以更低的風(fēng)險實(shí)現一個(gè)更加快速和更加簡(jiǎn)單的設計周期，來(lái)完成項目，并將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

　　功率元件設計方法有三個(gè)步驟：確定、構建和實(shí)施。

　　第1步——確定

　　這是一個(gè)項目電源需求的“大局”觀(guān)，定義了電壓軌數量、電壓和電流的需求，同時(shí)考慮項目的時(shí)間。在這個(gè)階段，要做出這些需求的列表，并初步考慮可以用來(lái)滿(mǎn)足這些需求的產(chǎn)品類(lèi)型。

　　什么樣的產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足要求呢?有很多這種信息的來(lái)源。例如，Vicor提供了一種解決方案選擇工具，可以搜索可用元件的數據庫，并推薦滿(mǎn)足客戶(hù)的輸入和輸出需求的解決方案。利用一個(gè)智能工具，如Vicor解決方案選擇工具(solution selector)，可將產(chǎn)生可能元件的候選者名單所需要的時(shí)間縮短到幾乎為零，并且可以很容易地根據應用，為特定設計選擇一個(gè)最佳的元件。大多數工程師恰恰沒(méi)有令人奢望的“學(xué)習時(shí)間”來(lái)手動(dòng)完成這項重要任務(wù)。

　　有哪些是可用的典型功率元件

　　首先是功率傳輸。在這里，功率元件必須采用高壓直流或交流電源，并把它變換為一個(gè)安全特低電壓(SELV)。在很多高性能應用中，工程師們正在利用高電壓和高電流將電源提供給他們的系統。由于來(lái)自器件的散熱，選擇熱適應的元件至關(guān)重要。這些元件將需要放置在系統內部的多個(gè)位置。這包括在一個(gè)機箱或主板上安裝的電源系統，而每個(gè)元件的冷卻都需要加以考慮。

　　接下來(lái)是從SELV傳送功率至負載點(diǎn)。工程師們需要為他們的應用謹慎選擇適當的電壓軌。過(guò)多的轉換級將降低應用的效率。近年來(lái)，電源設計已經(jīng)開(kāi)始從12V軌轉向可提供更高系統效率的48V軌。我們面臨的挑戰是選擇能夠以最高效率提供合適性能的最佳元件。像Vicor的Whiteboard工具可幫助工程師們使用不同SELV來(lái)評估其設計的性能。

　　終于有了負載點(diǎn)元件的選擇?；谶x擇的SELV，工程師需要選擇達到PoL要求所需的元件，以便可以在高電流時(shí)達到低于1V。其中的隔離和調節是必需的，可以使用DC-DC轉換器，如VicorDC轉換器模塊(DCM)。設計人員還可以使用專(zhuān)為分比式電源架構(Factorized Power Architecture，FPA)設計的元件，其中的調節和電壓變換/隔離功能是分開(kāi)的。選擇后者有助于設計人員獲得高功率密度，這相當于具備了在一個(gè)小空間內轉換大量電能的能力。(未完待續)