設(shè)計(jì)多級(jí)工業(yè)電源的方法詳解

　　本文詳細(xì)介紹了如何在典型工業(yè)用24V電源環(huán)境下，借助WEBENCH Power Architect 中的新的電源模塊來設(shè)計(jì)高效的多輸出電源。該工業(yè)用24V電源在第一階段中將電源轉(zhuǎn)換為中間電壓軌，最后轉(zhuǎn)換為典型負(fù)載點(diǎn)電壓和負(fù)載點(diǎn)電流。本文旨在說明各個(gè)階段的設(shè)計(jì)方法及其根據(jù)項(xiàng)目要求易于修改和優(yōu)化的特性。

　　圖 1 _SS 電源模塊 PR2290

　　各種工業(yè)應(yīng)用對電源的要求基本相同。下面引用的是典型應(yīng)用如 FPGA 電源等所需的主要參數(shù)值。在馬達(dá)控制、自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器視覺領(lǐng)域中，可以依照此步驟采用相同的設(shè)計(jì)方法。

　　第一步確定電源輸入的可能電壓值：

　　Vin nom operating：24V

　　Vin operating：18V~30.5V

　　Vin transient：36V~42V

　　Tambient operating：-40℃~+85℃（不含外部散熱器或風(fēng)扇）

　　在這里將略過 IEC 61132 PLC 規(guī)定的靜電釋放 （ESD）、突發(fā)和浪涌以及電流注入等要求。因此，可以單獨(dú)設(shè)計(jì)電源，而無需考慮為滿足上述測試要求而設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)健性的保護(hù)電路。

　　我們使用美國國家半導(dǎo)體的 WEBENCH Power Architect工具設(shè)計(jì)多輸出方案，可通過 www.national.com/analog/webench/power_architect 訪問這一創(chuàng)新的在線工具。在該工具啟動(dòng)后的登陸頁面（配置步驟）上將看到一個(gè)面板，在面板上可以填寫輸入和負(fù)載規(guī)格。應(yīng)以實(shí)際應(yīng)用中負(fù)載的名稱命名填寫的輸入負(fù)載。

　　電源：“24V 工業(yè)電壓軌” VMin：18V VMax：42V Tambient：85℃

　　應(yīng)使用“添加負(fù)載”按鈕設(shè)定各負(fù)載規(guī)格。

　　LOAD_1：“FPGA 核” VLoad：1.2V ILoadMax：4A

　　LOAD_2：“模擬電源” VLoad：2.5V ILoadMax：0.5A

　　LOAD_3：“I/O 電源” VLoad：3.3V ILoadMax：0.5A

　　LOAD_4： “I/O 電源” VLoad：1.8V ILoadMax：0.5A

　　LOAD_5：“通用用途” VLoad：5V ILoadMax：1A

　　我們可以盡可能地使用模塊，并選擇“首選模塊解決方案”選項(xiàng)。

　　點(diǎn)擊“提交項(xiàng)目要求”按鈕將啟動(dòng)復(fù)雜的計(jì)算和優(yōu)化過程，最終將通過三種不同的設(shè)計(jì)工具顯示多個(gè)解決方案。在第一次選擇中可以限制顯示的解決方案數(shù)量，以便簡化結(jié)果。

　　表格與框圖：

　　每行代表一個(gè)完整的多輸出電源設(shè)計(jì)方案，并列出了主要的系統(tǒng)參數(shù)。高亮顯示的一行，代表著具有最佳效率與成本的備選方案，其對應(yīng)的框圖顯示在右側(cè)。

　　圖形化圖表（圖 2）：

　　圖 2 _Webench PA_ 優(yōu)化項(xiàng)目階段_ 圖形

　　圖 3 _Webench PA_優(yōu)化項(xiàng)目階段_撥盤

每個(gè)圓對應(yīng)表格中的一行，將鼠標(biāo)移到圓上方即可識(shí)別特定設(shè)計(jì)。本圖可讓您輕松了解占位面積（y 軸）、效率（x 軸）和成本（圓的面積大?。┲g的關(guān)系。

　　“優(yōu)化調(diào)諧”撥盤（圖 3）的指針可向“最低 BOM 成本”或“最高效率”方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這將在圖形和表格（圖 2）中添加更多的設(shè)計(jì)解決方案。黃色圓對應(yīng)著表格中高亮標(biāo)注的設(shè)計(jì)和實(shí)際顯示出的框圖。參考其它圓與優(yōu)化撥盤刻度的背景色色差，可以了解到相關(guān)的優(yōu)化策略。

　　這樣，設(shè)計(jì)師便能一目了然地看出選擇某個(gè)總線電壓或解決方案架構(gòu)對成本和效率的影響。

　　我們將在后續(xù)步驟中，使用 WEBENCH 高亮標(biāo)出的具有最佳性能的設(shè)計(jì)方案，，總線電壓設(shè)定為 5V，這是為了讓工作在5V 電壓軌下的零件能獲得最佳效率和性價(jià)比。

　　單擊“查看項(xiàng)目詳細(xì)信息”的按鈕可進(jìn)入下一級(jí)頁面，將顯示出最終框圖（如圖 4所示）、所選的電源模塊的原理圖，以及顯示出每個(gè)模塊功耗、價(jià)格和占位面積間比例關(guān)系的餅圖（如圖 5所示）。圖表中的顏色對應(yīng)著框圖中相應(yīng)的模塊。

　　圖 4 _Webench PA_查看項(xiàng)目階段_圖解 1

　　圖 5 _Webench PA_查看項(xiàng)目階段_餅圖 1

　　到這里我們可以認(rèn)為設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，選定的解決方案僅使用了電源模塊就帶來了上述全部優(yōu)勢。

　　Power Architect 還提供了進(jìn)一步優(yōu)化所選架構(gòu)的可能。它允許在選定的設(shè)計(jì)中替換零件。在我們的示例中，我們注意到第一階段中的 LMZ14203 模塊是導(dǎo)致功率損耗的最主要因素（如圖 6所示）。在餅圖下方的窗口中單擊該器件，并選擇“替代方案”（如圖 7所示）。將器件按效率排序（單擊相應(yīng)的列）并選擇 LM3150，這樣即將總效率提高 5%，達(dá)到 79%。另一個(gè)優(yōu)化選項(xiàng)為解決方案成本，餅圖顯示了負(fù)載電流僅為0.5A 的三個(gè)模塊對成本的巨大影響。因此，我們按“BOM 美元成本”排序，將“替代方案”中的這三個(gè)模塊替換為 LM3674，這樣可使系統(tǒng)總效率仍保持較高的水平 （81%），但同時(shí)能削減一半以上的方案成本。

　　圖 6 _Webench PA_查看項(xiàng)目階段_圖解 2

　　圖 7 _Webench PA_查看項(xiàng)目階段_餅圖 2

　　結(jié)論

　　使用WEBENCH Power Architect可在幾秒內(nèi)設(shè)計(jì)出多輸出電源，在進(jìn)行多個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)，它具有極大的設(shè)計(jì)與優(yōu)化的靈活性。電源模塊為這些設(shè)計(jì)提供了最高的集成度和可靠性。美國國家半導(dǎo)體將會(huì)發(fā)布更多用于電源模塊的電壓和功率選項(xiàng)，這將極大地增加此類復(fù)雜的電源解決方案的設(shè)計(jì)靈活性。