詳談關(guān)于電源系統(tǒng)設(shè)計的無風險路徑

簡介
　　現(xiàn)在，高性能電源系統(tǒng)已經(jīng)有了長足進展，設(shè)計人員正在使用多個輸入電壓，驅(qū)動種類繁多應(yīng)用的多路電壓軌。由于確保PoL穩(wěn)壓器盡可能靠近負載的需求，設(shè)計人員需要在一個非常小的范圍裝滿大量功率轉(zhuǎn)換功能。與此同時，企業(yè)資源正趨于擴展到工程師期望的多任務(wù)地步，常常是由多面手，而不是電源專家來負責設(shè)計電源系統(tǒng)。因此，當今復(fù)雜的電源要求可能令設(shè)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(gòu)的所有部分都在其功率和散熱范圍內(nèi)運行，同時還可優(yōu)化效率和成本目標。
　　新的應(yīng)用帶來了進一步的挑戰(zhàn)。例如，隨著遷移到更便宜、更清潔、更高效能源的發(fā)電，以及政府推動的應(yīng)用，企業(yè)正在尋找如何能夠通過轉(zhuǎn)向高壓直流（HVDC）配電來滿足立法和成本目標。這就需要有不同的方法為所使用的電子設(shè)備來設(shè)計電源系統(tǒng)。
　　在這篇文章中，我們探討了問題、技術(shù)、方法、工具和構(gòu)建模塊，這些都可能有助于復(fù)雜電源系統(tǒng)項目的順利完成。
　　老方法已經(jīng)被系統(tǒng)需求超越
　　回首30年來，大多數(shù)系統(tǒng)的電源需求都采用集中式供電方式來提供。然而，電子技術(shù)的一個趨勢是要求設(shè)備體積更小、更輕，而功能更加強大。通信設(shè)備的開發(fā)有助于實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)革命，這需要布滿了服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心。系統(tǒng)將變得更小，提供更高的性能，而其功率要求將變得越來越苛刻。
　　很明顯，其他一些東西也需要發(fā)展——為電子器件供電的方式。大型集中式電源根本無法勝任為下一代產(chǎn)品供電的任務(wù)，因此，電源轉(zhuǎn)換需要更靠近負載。能夠用集中的盒子為設(shè)備供電的歲月已一去不復(fù)返了。
　　電源轉(zhuǎn)換需要滿足新負載的不同要求：一個電壓不可能適合所有負載?，F(xiàn)在的負載需要多路電壓軌，要求滿足嚴格的調(diào)整率的要求，而且需要快速的瞬態(tài)響應(yīng)。因此，電源轉(zhuǎn)換必須成為系統(tǒng)的一個組成部分，需要設(shè)計在設(shè)備的內(nèi)部和外部。
　　隨著器件需要更靠近負載點的推動而變得越來越小，我們已經(jīng)看到熱耗散密度隨著時間推移而上漲的趨勢。開發(fā)更小功率元件的推動力已經(jīng)超出了相應(yīng)的效率改善。多年來，諸如磚型電源的器件形成了電源系統(tǒng)的中堅，其功率密度正受到了限制。應(yīng)當清楚的是，除了更有效率，功率元件還需要更加強于散熱，并支持靈活的熱管理。
　　新型功率元件實現(xiàn)了新方法
　　沒有封裝技術(shù)的根本進步，功率密度就不能持續(xù)提升?？捎糜诂F(xiàn)代系統(tǒng)構(gòu)建模塊的新型功率元件正在開發(fā)，這些模塊可提供更高的功率密度、更好的散熱性能、更大的降壓比和集成的磁性結(jié)構(gòu)。這些元件也有助于全新配電設(shè)計的出現(xiàn)，包括分比式電源架構(gòu)（Factorized Power Architecture，F(xiàn)PA），并支持高壓直流（HVDC）等新的應(yīng)用，這有助于進一步提高效率，并使用替代能源。
　　那么，工程師如何充分利用現(xiàn)在可用的高性能構(gòu)建模塊，認真考慮并著手構(gòu)建一個設(shè)計，負責設(shè)計一個項目中的優(yōu)化的電源系統(tǒng)呢？這確實是一個艱難的選擇——特別是當這不是你的專業(yè)領(lǐng)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(dǎo)致錯過時機。
　　站在電源設(shè)計創(chuàng)新前沿的公司Vicor已經(jīng)率先推出了功率元件設(shè)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(yù)見和經(jīng)濟高效地配置高性能電源系統(tǒng)。
　　功率元件是由專業(yè)電源工程師針對效率、功率密度、瞬態(tài)響應(yīng)和EMI進行了全面優(yōu)化的專用模塊。通過這種方法，而不是使用分立元件開發(fā)電源鏈，所有這些關(guān)鍵參數(shù)都已經(jīng)過優(yōu)化，并為設(shè)計師準備好了針對任何電源設(shè)計項目的一個最合適的解決方案。另外，這些模塊的結(jié)構(gòu)完全適合未來的設(shè)計重復(fù)使用，節(jié)省了時間和精力。
　　如果再結(jié)合可用的系列工具和資源，這種方法將以更低的風險實現(xiàn)一個更加快速和更加簡單的設(shè)計周期，來完成項目，并將產(chǎn)品推向市場。
　　功率元件設(shè)計方法有三個步驟：確定、構(gòu)建和實施。
　　步驟1—確定
　　這是一個項目電源需求的“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(chǎn)品類型。
　　
　　圖1：第一步是列出項目的電源需求。在我們的這個例子中，我們假設(shè)有11路電壓軌，以遞減功率級別列于表中。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，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(chǎn)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(jù)對應(yīng)用來說最重要的標準，為特定設(shè)計選擇一個最佳的元件。大多數(shù)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(wù)。
　　
　　圖2：使用Vicor的PowerBench工具來簡化元件選擇過程。
　　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)部的多個位置。這包括在一個機箱或主板上安裝的電源系統(tǒng)，而每個元件的相應(yīng)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(yīng)用謹慎選擇適當?shù)碾妷很墶＿^多的轉(zhuǎn)換級將降低應(yīng)用的效率。近年來，電源設(shè)計已經(jīng)開始從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來評估其設(shè)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(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)計人員還可以使用專為分比式電源架構(gòu)設(shè)計的元件，其中的調(diào)節(jié)和電壓變換/隔離功能是分開的。選擇后者有助于設(shè)計人員獲得高功率密度，這相當于具備了在一個小空間內(nèi)轉(zhuǎn)換大量電能的能力。