電源性能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)解析

每位工程師都想要為他們研究的系統(tǒng)、電源或產(chǎn)品設(shè)計(jì)出最佳性能。但是性能設(shè)計(jì)到底是什么呢？對(duì)電源解決方案來說可能是指尺寸、重量和功率 (SWaP) 之間的典型權(quán)衡，甚至包括成本因素 (SWaP-C)。

專為能源性能的設(shè)計(jì)（通常以效率指標(biāo)衡量）主要關(guān)注在電源能耗性能的優(yōu)化，即：強(qiáng)調(diào)運(yùn)營支出 (OPEX) 也就是基本的能源成本。

如果電源解決方案對(duì)其外形因素性能進(jìn)行優(yōu)化，這可能會(huì)降低最大轉(zhuǎn)換效率，意思就是采取資本支出 (CAPEX) 設(shè)計(jì)的優(yōu)化，將重點(diǎn)放在如何節(jié)約前期成本而不是通過更低的OPEX來降低攤余成本。這種區(qū)別在電源OPEX主導(dǎo)總擁有成本 (TCO) 的應(yīng)用中至關(guān)重要，例如大型數(shù)據(jù)中心。

對(duì)于不受限制的應(yīng)用，可以根據(jù)燃料、續(xù)航里程或電池壽命來確定電源OPEX。通常，這些有限的能源將作為最大化系統(tǒng)性能的控制因素。

因此工程師必須先了解電源、負(fù)載和操作環(huán)境之間的關(guān)系，然后才能開始清楚知道哪些性能因素是優(yōu)化的重點(diǎn)。以電源解決方案為例，大多數(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù)最終都集中在熱性能的設(shè)計(jì)上，比如在最大輸入電壓、滿載和高環(huán)境溫度的苛刻工作條件下，將關(guān)鍵組件保持在臨界溫度閾值以下，如半導(dǎo)體結(jié)、封裝表面溫度、印刷電路板或 PCB 溫度。

處理正常運(yùn)行時(shí)間性能

如果輸出電壓調(diào)整率和精度是最重要的，那么優(yōu)先考慮優(yōu)化電源控制回路性能（反饋回路穩(wěn)定性和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)）以確保負(fù)載突然變化后或在電源電壓驟降和浪涌期間不會(huì)造成電源輸送不穩(wěn)定或不可預(yù)測。

當(dāng)操作可靠性是重中之重時(shí)，也就代表關(guān)鍵任務(wù)的性能指標(biāo)是應(yīng)用或系統(tǒng)本身的正常運(yùn)行時(shí)間。在這種情況下，因系統(tǒng)的要求甚至可能需要犧牲電源和其他設(shè)備以盡可能地保持運(yùn)行，即使工作條件已超出規(guī)格。這與因短期過載、過流或過熱而設(shè)計(jì)具有內(nèi)置關(guān)斷保護(hù)的電源是完全不同的做法。

雖然功率和熱指標(biāo)通常不被認(rèn)為是應(yīng)用性能的主要瓶頸，但由于它們的基本物理特性成為基本性能的限制因素。背后的原因可能是功率半導(dǎo)體組件的最大結(jié)溫、電源線或功率電感器的最大電流，無論如何性能最終會(huì)受到功率或散熱限制的限制。

有時(shí)需要對(duì)系統(tǒng)性能做降額以維護(hù)整體隔熱層或熱分區(qū)。例如，處理器能夠處理額外的每秒百萬指令 (MIPS) 或無線電有額外的空間來進(jìn)一步放大射頻信號(hào)，但系統(tǒng)缺乏足夠的熱管理技術(shù)來允許功耗的增加。

強(qiáng)調(diào)能源性能

電源通常不被特別重視，這不僅是低估了電源解決方案的復(fù)雜性和特殊需求，在可用性方面也是如此。正如先前提到的熱瓶頸，經(jīng)常會(huì)看到為了節(jié)省成本或?qū)㈦娫磯嚎s到更小的空間之中，造成系統(tǒng)負(fù)載的峰值需求與電源能夠提供的之間有顯著的差距。如果忽略回路控制和瞬態(tài)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)（基于本文的討論范圍），當(dāng)電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析的安全余量過低，同時(shí)沒有充分考慮由同一共軌提供的所有負(fù)載，甚至沒有將上游電源軌納入到更大的電源解決方案的時(shí)候就有可能出現(xiàn)功率差距。 ?

大多數(shù)電源子系統(tǒng)涉及多級(jí)電壓轉(zhuǎn)換，從離線 (ac) 到中間總線電壓（通常為48/24/12 Vdc）再到ASIC和其他邏輯電路的低電壓（通?！? Vdc）。一般來說，由于負(fù)載電流往往會(huì)隨著總線電壓的降低而增加，因此更加關(guān)注低電壓軌的電源轉(zhuǎn)換解決方案的效率；在這種情況下，耗散損耗對(duì)整體系統(tǒng)的熱性能而言變得更加重要且關(guān)鍵。

即使負(fù)載終端得到了更高的關(guān)注，也很容易忽略上游電源轉(zhuǎn)換解決方案的影響。因此開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)功率預(yù)算的交互式模型至關(guān)重要，該模型考慮了所有電源的負(fù)載與效率曲線，以及從終端負(fù)載一直到上游離線電源的瞬態(tài)性能所帶來的總體影響。

電源性能是否與系統(tǒng)性能分開？

當(dāng)然不是！但是要特別強(qiáng)調(diào)原因可能跟你認(rèn)為的不太一樣。電子世界中的一切都需要電源，因此有了電源解決方案，而電源的性能和整個(gè)系統(tǒng)或應(yīng)用的成功與否存在著直接的關(guān)系。 ?

這種關(guān)系通常是以一種高度簡化的方式理解（電源打開、系統(tǒng)上電），但它沒有考慮到電源與負(fù)載交互時(shí)的穩(wěn)定性。如果負(fù)載要求的瞬態(tài)表現(xiàn)高于電源所能提供的，這可能會(huì)導(dǎo)致電源控制回路不穩(wěn)定以及許多不良的結(jié)果，例如調(diào)節(jié)不良、無法啟動(dòng)、保護(hù)電路意外跳閘、過多的電磁輻射或EMC問題。

電源解決方案的可行性與其他系統(tǒng)組件一樣是由環(huán)境場景而定。電源電壓較低時(shí)對(duì)電源解決方案的額定輸出做降額并不少見，原因就是受到上述的熱瓶頸的限制。 ? 此外，我們也討論過如果系統(tǒng)降低功耗是有限的，那擁有更多的可用功率并不一定代表負(fù)載可使用的量就會(huì)增加。在較高海拔和較低大氣壓運(yùn)行意味著必須進(jìn)一步對(duì)性能做降額，因?yàn)? kft?或300m?大約等于在海平面上額外增加1°C 的環(huán)境溫度。此外，需要加強(qiáng)隔離等級(jí)以便在高海拔地區(qū)工作，因?yàn)樵诘痛髿鈮合赂菀装l(fā)生閃絡(luò)。出于這個(gè)原因，RECOM在AC/DC 電源的規(guī)格中增加了工作海拔規(guī)格。

結(jié)論

話雖如此，有一些部署方案和電源架構(gòu)是為了將電源性能與系統(tǒng)性能分開而設(shè)計(jì)的。在大多數(shù)情況下，這是指在有冗余的應(yīng)用中電源預(yù)算與系統(tǒng)功率預(yù)算的比例大于1:1。供給公共負(fù)載總線的冗余電源傾向于均流（經(jīng)驗(yàn)法則是在彼此之間共享10%以內(nèi)），這意味著電源是在遠(yuǎn)低于其最大額定輸出電流的情況下工作。

最基本的冗余配置形式是 N+1，其中兩個(gè)電源（通常是相同的）為系統(tǒng)提供共享電源，雖然單個(gè)電源就足以提供全負(fù)載。由于系統(tǒng)功率預(yù)算中內(nèi)置了許多典型余量層，因此即使系統(tǒng)需要絕對(duì)最大功率，這些電源只需以最大額定輸出電流的 30-40% 運(yùn)行。在這個(gè)情況下如果電源和系統(tǒng)都經(jīng)過全面設(shè)計(jì)并符合系統(tǒng)全功率的要求，那么電源和系統(tǒng)的壽命性能表現(xiàn)將大不相同，因?yàn)橄到y(tǒng)組件承受的熱應(yīng)力其實(shí)是電源的兩倍。

劃分電源解決方案以及系統(tǒng)或負(fù)載需求的另一個(gè)例子是去除負(fù)載或共享負(fù)載方案。如果每次都根據(jù)最壞情況負(fù)載曲線的最大值總和來建立系統(tǒng)功率預(yù)算并以此決定電源解決方案的大小并不務(wù)實(shí)，很少有所有負(fù)載同時(shí)看到消耗最大功率的情況，導(dǎo)致許多不必要的過度設(shè)計(jì)。

這些過度設(shè)計(jì)有時(shí)會(huì)打造出一個(gè)比實(shí)際所需來得更大、更貴或更低效的電源解決方案。如果知道主要系統(tǒng)負(fù)載是反相的（計(jì)算和內(nèi)存是系統(tǒng)的主要負(fù)載，電源波形的峰值和谷值往往彼此相差 180°），可以選擇較小的電源解決方案搭配智能電源管理 (IPM) 技術(shù)。

有一些電源甚至是為了在過流條件下短期運(yùn)行而設(shè)計(jì)的，無需關(guān)閉或啟動(dòng)任何過流保護(hù) (OCP)。舉例來說，如果一個(gè)系統(tǒng)支持多個(gè)可變功率級(jí)的以太網(wǎng)供電 (PoE) 端口，可能需要比電源所能提供更多的短期功率（例如120 % 的額定負(fù)載持續(xù) <200 ms），同時(shí)符合各個(gè) PoE 端口的功率級(jí)。在這種情況下，電源的設(shè)計(jì)會(huì)讓它在不觸發(fā) OCP 的情況下工作，同時(shí)仍為長期過流狀態(tài)提供短路保護(hù) (SCP)。如果有一個(gè)數(shù)字控制內(nèi)核，就可以對(duì)這些項(xiàng)目的電源響應(yīng)進(jìn)行簡便編程，例如RECOM的RACM1200-V電源。

編輯：黃飛

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