功率元件設(shè)計(jì)方法有三個(gè)步驟 - 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無(wú)風(fēng)險(xiǎn)路徑

　　功率元件設(shè)計(jì)方法有三個(gè)步驟：確定、構(gòu)建和實(shí)施。

　　步驟1—確定

　　這是一個(gè)項(xiàng)目電源需求的“大局”觀，定義了電壓軌數(shù)量、電壓和電流的需求，同時(shí)考慮項(xiàng)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)滿足這些需求的產(chǎn)品類型。

　　圖1：第一步是列出項(xiàng)目的電源需求。在我們的這個(gè)例子中，我們假設(shè)有11路電壓軌，以遞減功率級(jí)別列于表中。為了方便，我們稱之為主電源軌（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(shù)據(jù)庫(kù)，并推薦滿足客戶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(jù)對(duì)應(yīng)用來(lái)說(shuō)最重要的標(biāo)準(zhǔn)，為特定設(shè)計(jì)選擇一個(gè)最佳的元件。大多數(shù)工程師恰恰沒(méi)有令人奢望的“學(xué)習(xí)時(shí)間”來(lái)手動(dòng)完成這項(xiàng)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(yīng)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(tǒng)。由于來(lái)自器件的散熱，選擇熱適應(yīng)的元件至關(guān)重要。這些元件將需要放置在系統(tǒng)內(nèi)部的多個(gè)位置。這包括在一個(gè)機(jī)箱或主板上安裝的電源系統(tǒng)，而每個(gè)元件的相應(yīng)冷卻都需要加以考慮。

　　接下來(lái)是從SELV傳送功率至負(fù)載點(diǎn)。工程師們需要為他們的應(yīng)用謹(jǐn)慎選擇適當(dāng)?shù)碾妷很?。過(guò)多的轉(zhuǎn)換級(jí)將降低應(yīng)用的效率。近年來(lái)，電源設(shè)計(jì)已經(jīng)開(kāi)始從12V軌轉(zhuǎn)向可提供更高系統(tǒng)效率的48V軌。我們面臨的挑戰(zhàn)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(píng)估其設(shè)計(jì)的性能。

　　終于有了負(fù)載點(diǎn)元件的選擇。基于選擇的SELV，工程師需要選擇達(dá)到PoL要求所需的元件，以便可以在高電流時(shí)達(dá)到低于1V。其中的隔離和調(diào)節(jié)是必需的，可以使用DC-DC轉(zhuǎn)換器，如Vicor DC轉(zhuǎn)換器模塊（DCM）。設(shè)計(jì)人員還可以使用專為分比式電源架構(gòu)設(shè)計(jì)的元件，其中的調(diào)節(jié)和電壓變換/隔離功能是分開(kāi)的。選擇后者有助于設(shè)計(jì)人員獲得高功率密度，這相當(dāng)于具備了在一個(gè)小空間內(nèi)轉(zhuǎn)換大量電能的能力。

　　步驟2—構(gòu)建

　　構(gòu)建系統(tǒng)的第一個(gè)步驟是創(chuàng)建一個(gè)電源系統(tǒng)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(jí)別開(kāi)始它的運(yùn)作更好，并從那里繼續(xù)工作，以便可以審查功率元件類別，并隨功率級(jí)別的增加在必要時(shí)做出改變。

　　根據(jù)適當(dāng)功率級(jí)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(tǒng)級(jí)封裝產(chǎn)品（SiP），如Vicor ZVS降壓穩(wěn)壓器是最好的解決方案。在較高功率級(jí)別，更好的方法可能是使用Vicor的ChiP產(chǎn)品（Converter housed in Package，轉(zhuǎn)換器級(jí)封裝）。根據(jù)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需的電壓軌數(shù)量的復(fù)雜性，可以在應(yīng)用中使用SiP和ChiP的組合。

　　這將有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的最大功率密度和成本效益，并保持系統(tǒng)中每個(gè)器件的高效率運(yùn)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(jí)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(jí)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(shè)計(jì)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(tǒng)框圖類別中建立一個(gè)我們需要的電源模塊和功率級(jí)別的畫(huà)面。

　　第2步-構(gòu)建-按類區(qū)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別。

　　第2步-構(gòu)建-框圖-工作回到輸入端（2）

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　　第2步-構(gòu)建-框圖-如需要優(yōu)化評(píng)估

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

　　第2步-構(gòu)建-最終框圖

　　圖5：在這里，我們看到現(xiàn)在引入了驅(qū)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(fù)載，并確保負(fù)載均操作于接近具有合適安全裕度的最大值。

　　步驟3—實(shí)施

　　一旦模塊完成，設(shè)計(jì)人員需要為這些模塊匹配器件編號(hào)，同時(shí)注意實(shí)現(xiàn)功能和仿真各自功率轉(zhuǎn)換元件鏈的所有專用電路。需要開(kāi)發(fā)的其他電路可能包括濾波器、保持電路和電源時(shí)序。在設(shè)計(jì)的這個(gè)階段，工程師還應(yīng)該考慮散熱、端接，以及封裝注意事項(xiàng)。

　　在我們的例子中，對(duì)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(gè)延遲；而對(duì)MR＃3嚴(yán)格調(diào)控將需要使用一個(gè)遙感回路。為實(shí)現(xiàn)精確的負(fù)載電流限制和精確匹配電壓軌和負(fù)載要求的其他參數(shù)，考慮配置PRM也是有意義的。

　　對(duì)于那些需要使用PRM來(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)的工程師們，Vicor提供了一個(gè)PowerBench仿真工具，可幫助進(jìn)一步了解系統(tǒng)的性能。

　　圖6：PowerBench PRM仿真工具。

　　設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工具

　　在過(guò)去，工程師們是通過(guò)參考器件數(shù)據(jù)表的計(jì)算，做出元件選擇并分析每一級(jí)的電源系統(tǒng)效率（和總系統(tǒng)性能）。

　　從數(shù)據(jù)表查看功效

　　圖7：獲得性能信息可能既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。

　　雖然完全令人滿意，但這種方法可能會(huì)變得有點(diǎn)單調(diào)乏味。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程和節(jié)省時(shí)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(zhuǎn)換元件設(shè)計(jì)和分析電源系統(tǒng)的一個(gè)在線工具。利用白板工具就不再需要查看包含在數(shù)據(jù)表中的運(yùn)行和效率參數(shù)，工程師只需利用在線工具繪制出電路框圖，所有計(jì)算即可在幾毫秒內(nèi)完成。

　　由Powerbench白板工具產(chǎn)生的更精確、更實(shí)際的轉(zhuǎn)換效率達(dá)93.17%（以毫秒為單位自動(dòng)生成）

　　圖8：白板工具采用以毫秒為單位的自動(dòng)分析設(shè)計(jì)，并提供性能數(shù)據(jù)，節(jié)約了時(shí)間和精力。

　　通過(guò)將系統(tǒng)熟悉的草圖符號(hào)保留在白板工具上，添加參數(shù)自動(dòng)查找和計(jì)算，白板工具可進(jìn)一步縮短使用功率元件設(shè)計(jì)方法完成一個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)間。

　　此外，Vicor的解決方案選擇工具還可與白板工具緊密結(jié)合。因此，解決方案選擇工具推薦的設(shè)計(jì)可以自動(dòng)將設(shè)計(jì)導(dǎo)入白板工具，這樣工程師就不需要自己繪制系統(tǒng)。這時(shí)，工程師可以調(diào)整設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步滿足他們的需求，并快速了解設(shè)計(jì)的效率。

　　結(jié)論

　　功率元件已經(jīng)成為幫助工程師為當(dāng)今電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、高性能電源系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵因素。因?yàn)殡娫丛O(shè)計(jì)專家已經(jīng)優(yōu)化了效率、功率密度、瞬態(tài)響應(yīng)、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(kāi)發(fā)出一個(gè)電源系統(tǒng)，來(lái)滿足具有挑戰(zhàn)性的高性能要求。

　　在要求更好散熱性能的推動(dòng)下，近期出現(xiàn)了許多功率元件創(chuàng)新。ChiP平臺(tái)提供了采用雙面冷卻的強(qiáng)于熱散熱的解決方案，是板上電源一個(gè)很好的范例。在未來(lái)，其他創(chuàng)新將進(jìn)一步簡(jiǎn)化電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的任務(wù)，特別是在電源的前端。

　　這篇文章表明，功率器件設(shè)計(jì)方法提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的三步方法，使工程師，即使不是電源專家，也可以構(gòu)建能夠提供高效率和高功率密度的復(fù)雜電源鏈。通過(guò)使用在線工具，這種方法得以進(jìn)一步簡(jiǎn)化。但是，不像許多設(shè)計(jì)方案那樣，功率元件設(shè)計(jì)方法消除了來(lái)自設(shè)計(jì)過(guò)程的痛苦和風(fēng)險(xiǎn)，而無(wú)需工程師花時(shí)間學(xué)習(xí)技術(shù)。無(wú)需特殊培訓(xùn)，工程師們就可以使用這一方法，縮短研發(fā)時(shí)間，同時(shí)確保優(yōu)化他們的下一個(gè)電源鏈，以提供所需的性能。