電源系統設計的無風險路徑

摘要：現在，高性能電源系統已經有了長足進展，設計人員正在使用多個輸入電壓，驅動種類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非常小的范圍實現大量功率轉換功能。與此同時，企業資源正趨于擴展到工程師，常常是由多面手，而不是電源專家來負責設計電源系統。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，同時還可優化效率和成本目標。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/266047.htm

關鍵詞：電源系統；功率元件；電源架構

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.11.005

工程師如何充分利用現在可用的高性能構建模塊，認真考慮并著手構建一個設計，負責設計一個項目中的優化的電源系統呢？這確實是一個艱難的選擇——特別是當這不是你的專業領域時。這里所需要的是一種有大量支持的無風險方法，不允許出錯；重新投片價格昂貴，而且可能會導致錯過時機。

站在電源設計創新前沿的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，采用業界成熟的元件，可預見和經濟高效地配置高性能電源系統。

功率元件是由專業電源工程師針對效率、功率密度、瞬態響應和EMI進行了全面優化的專用模塊。通過這種方法，而不是使用分立元件開發電源鏈，所有這些關鍵參數都已經過優化，并為設計師準備好了針對任何電源設計項目的一個最合適的解決方案。另外，這些模塊的結構完全適合未來的設計重復使用，節省了時間和精力。

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險實現一個更加快速和更加簡單的設計周期，來完成項目，并將產品推向市場。

功率元件設計方法有三個步驟：確定、構建和實施。

第1步——確定

這是一個項目電源需求的“大局”觀，定義了電壓軌數量、電壓和電流的需求，同時考慮項目的時間。在這個階段，要做出這些需求的列表，并初步考慮可以用來滿足這些需求的產品類型。

什么樣的產品能夠滿足要求呢？有很多這種信息的來源。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，并推薦滿足客戶的輸入和輸出需求的解決方案。利用一個智能工具，如Vicor解決方案選擇工具（solution selector），可將產生可能元件的候選者名單所需要的時間縮短到幾乎為零，并且可以很容易地根據應用，為特定設計選擇一個最佳的元件。大多數工程師恰恰沒有令人奢望的“學習時間”來手動完成這項重要任務。

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。由于來自器件的散熱，選擇熱適應的元件至關重要。這些元件將需要放置在系統內部的多個位置。這包括在一個機箱或主板上安裝的電源系統，而每個元件的冷卻都需要加以考慮。

接下來是從SELV傳送功率至負載點。工程師們需要為他們的應用謹慎選擇適當的電壓軌。過多的轉換級將降低應用的效率。近年來，電源設計已經開始從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來評估其設計的性能。

終于有了負載點元件的選擇。基于選擇的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

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

根據適當功率級別選擇正確的元件類別非常重要。例如，在低功耗條件下，系統級封裝產品（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產品（Converter housed in Package，轉換器級封裝）。根據驅動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。

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

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，就可以開始在系統框圖類別中建立一個我們需要的電源模塊和功率級別的畫面。

第3步——實現

一旦模塊完成，設計人員需要為這些模塊匹配器件編號，同時注意實現功能和仿真各自功率轉換元件鏈的所有專用電路。需要開發的其他電路可能包括濾波器、保持電路和電源時序。在設計的這個階段，工程師還應該考慮散熱、端接，以及封裝注意事項。

在我們的例子中，對電源有一些特殊的要求：在輔助電壓軌上升之前，MR#3上有一個延遲；而對MR#3嚴格調控將需要使用一個遙感回路。為實現精確的負載電流限制和精確匹配電壓軌和負載要求的其他參數，考慮配置PRM （Pre-regulator Module，預穩壓模塊）也是有意義的。

對于那些需要使用PRM來調整設計的工程師們，Vicor提供了一個PowerBench仿真工具，可幫助進一步了解系統的性能。

設計和開發工具

在過去，工程師們是通過參考器件數據表的計算，做出元件選擇并分析每一級的電源系統效率（和總系統性能）。

雖然完全令人滿意，但這種方法可能會變得有點單調乏味。為了簡化設計流程和節省時間，Vicor最近推出了PowerBench白板工具（whiteboard）。白板工具是利用一組合適的Vicor電源轉換元件設計和分析電源系統的一個在線工具。利用白板工具就不再需要查看包含在數據表中的運行和效率參數，工程師只需利用在線工具繪制出電路框圖，所有計算即可在幾毫秒內完成。

通過將系統熟悉的草圖符號保留在白板工具上，添加參數自動查找和計算，白板工具可進一步縮短使用功率元件設計方法完成一個設計的時間。

此外，Vicor的解決方案選擇工具還可與白板工具緊密結合。因此，解決方案選擇工具推薦的設計可以自動將設計導入白板工具，這樣工程師就不需要自己繪制系統。這時，工程師可以調整設計，以進一步滿足他們的需求，并快速了解設計的效率。

結論

功率元件已經成為幫助工程師為當今電子系統設計復雜、高性能電源系統的一個關鍵因素。因為電源設計專家已經優化了效率、功率密度、瞬態響應、EMI和成本效益，幾乎所有電子工程師都可以利用這些器件開發出一個電源系統，來滿足具有挑戰性的高性能要求。

在要求更好散熱性能的推動下，近期出現了許多功率元件創新。ChiP平臺提供了采用雙面冷卻的強于熱散熱的解決方案，是板上電源一個很好的范例。在未來，其他創新將進一步簡化電源系統設計人員的任務，特別是在電源的前端。功率器件設計方法提供了一個簡單的三步方法，使工程師，即使不是電源專家，也可以構建能夠提供高效率和高功率密度的復雜電源鏈。通過使用在線工具，這種方法得以進一步簡化。但是，不像許多設計方案那樣，功率元件設計方法消除了來自設計過程的痛苦和風險，而無需工程師花時間學習技術。無需特殊培訓，工程師們就可以使用這一方法，縮短研發時間，同時確保優化他們的下一個電源鏈，以提供所需的性能。