電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無(wú)風(fēng)險(xiǎn)路徑(上)

　　摘要：現(xiàn)在，高性能電源系統(tǒng)已經(jīng)有了長(zhǎng)足進(jìn)展，設(shè)計(jì)人員正在使用多個(gè)輸入電壓，驅(qū)動(dòng)種類(lèi)繁多應(yīng)用的多路電壓軌。為了確保PoL穩(wěn)壓器盡可能靠近負(fù)載的需求，設(shè)計(jì)人員需要在一個(gè)非常小的范圍實(shí)現(xiàn)大量功率轉(zhuǎn)換功能。與此同時(shí)，企業(yè)資源正趨于擴(kuò)展到工程師，常常是由多面手，而不是電源專(zhuān)家來(lái)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)。因此，當(dāng)今復(fù)雜的電源要求可能令設(shè)計(jì)人員非常頭痛：如何利用不同資源為多樣化的負(fù)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(yùn)行，同時(shí)還可優(yōu)化效率和成本目標(biāo)。

　　工程師如何充分利用現(xiàn)在可用的高性能構(gòu)建模塊，認(rèn)真考慮并著手構(gòu)建一個(gè)設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)一個(gè)項(xiàng)目中的優(yōu)化的電源系統(tǒng)呢?這確實(shí)是一個(gè)艱難的選擇——特別是當(dāng)這不是你的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域時(shí)。這里所需要的是一種有大量支持的無(wú)風(fēng)險(xiǎn)方法，不允許出錯(cuò);重新投片價(jià)格昂貴，而且可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)時(shí)機(jī)。

　　站在電源設(shè)計(jì)創(chuàng)新前沿的Vicor公司率先推出了功率元件設(shè)計(jì)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(jiàn)和經(jīng)濟(jì)高效地配置高性能電源系統(tǒng)。

　　功率元件是由專(zhuān)業(yè)電源工程師針對(duì)效率、功率密度、瞬態(tài)響應(yīng)和EMI進(jìn)行了全面優(yōu)化的專(zhuān)用模塊。通過(guò)這種方法，而不是使用分立元件開(kāi)發(fā)電源鏈，所有這些關(guān)鍵參數(shù)都已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，并為設(shè)計(jì)師準(zhǔn)備好了針對(duì)任何電源設(shè)計(jì)項(xiàng)目的一個(gè)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(lái)的設(shè)計(jì)重復(fù)使用，節(jié)省了時(shí)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(fēng)險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)一個(gè)更加快速和更加簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)周期，來(lái)完成項(xiàng)目，并將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

　　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。

　　第1步——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(lèi)型。

　　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)應(yīng)用，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)。

　　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?；谶x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VicorDC轉(zhuǎn)換器模塊(DCM)。設(shè)計(jì)人員還可以使用專(zhuān)為分比式電源架構(gòu)(Factorized Power Architecture，F(xiàn)PA)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。(未完待續(xù))