電源系統設計的無(wú)風(fēng)險路徑

　　功率元件設計方法有三個(gè)步驟：確定、構建和實(shí)施。

　　步驟1—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。

　　圖1：第一步是列出項目的電源需求。在我們的這個(gè)例子中，我們假設有11路電壓軌，以遞減功率級別列于表中。為了方便，我們稱(chēng)之為主電源軌(MR)和輔助電壓軌(AR)。備注欄中包含了所有特殊要求。

　　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對應用來(lái)說(shuō)最重要的標準，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)。

　　圖2：使用Vicor的PowerBench工具來(lái)簡(jiǎn)化元件選擇過(guò)程。

　　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)元件的相應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Vicor DC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。

　　步驟2—構建

　　構建系統的第一個(gè)步驟是創(chuàng )建一個(gè)電源系統的方框圖，從輸出開(kāi)始，然后向輸入后向推進(jìn)。從最低功率級別開(kāi)始它的運作更好，并從那里繼續工作，以便可以審查功率元件類(lèi)別，并隨功率級別的增加在必要時(shí)做出改變。

　　根據適當功率級別選擇正確的元件類(lèi)別非常重要。例如，在低功耗條件下，系統級封裝產(chǎn)品(SiP)，如Vicor ZVS降壓穩壓器是最好的解決方案。在較高功率級別，更好的方法可能是使用Vicor的ChiP產(chǎn)品(Converter housed in Package，轉換器級封裝)。根據驅動(dòng)負載所需的電壓軌數量的復雜性，可以在應用中使用SiP和ChiP的組合。

　　這將有助于實(shí)現系統內的最大功率密度和成本效益，并保持系統中每個(gè)器件的高效率運行。

　　回頭看一下圖1，很明顯，前三路電壓軌(MR#1、2和3)是需要最高功率級別器件的電壓軌，而最后五路電壓軌(MR#7直到AR#2)是功率級別最低的器件。其余的(MR#4直到MR#6)介于兩者之間。在這里，設計人員將需要利用自己的判斷力，決定器件方面的選擇。完成了輸出工作后，就可以開(kāi)始在系統框圖類(lèi)別中建立一個(gè)我們需要的電源模塊和功率級別的畫(huà)面。

　　第2步-構建-按類(lèi)區分

　　圖3：從電源軌的需求分析，我們可以判斷最合適的功率元件類(lèi)別。

　　第2步-構建-框圖-工作回到輸入端(2)

　　第2步-構建-框圖-如需要優(yōu)化評估

　　圖4：繼續剛才的工作，我們可以確定為每路電壓軌提供功率級別需要的元件類(lèi)別。在這個(gè)級，我們應該時(shí)刻牢記確保我們平衡負載，并利用每個(gè)器件的功率容量所需的功率級別。在這里，我們看到了我們原來(lái)估計的優(yōu)化。

　　第2步-構建-最終框圖

　　圖5：在這里，我們看到現在引入了驅動(dòng)電壓軌的ACFE。這里非常重要的是判斷每路電壓軌上的負載，并確保負載均操作于接近具有合適安全裕度的最大值。