【導(dǎo)讀】本文為電源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)簡單的三步方法，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。同時(shí)消除了來自設(shè)計(jì)過程的痛苦和風(fēng)險(xiǎn)，無需工程師花時(shí)間學(xué)習(xí)技術(shù)。無需特殊培訓(xùn)，工程師們就可以使用這一方法，縮短研發(fā)時(shí)間。
現(xiàn)在，高性能電源系統(tǒng)已經(jīng)有了長足進(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(fù)載的需求，設(shè)計(jì)人員需要在一個(gè)非常小的范圍裝滿大量功率轉(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(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)。
新的應(yīng)用帶來了進(jìn)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(dòng)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(biāo)。這就需要有不同的方法為所使用的電子設(shè)備來設(shè)計(jì)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(xiàng)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(gè)趨勢(shì)是要求設(shè)備體積更小、更輕，而功能更加強(qiáng)大。通信設(shè)備的開發(fā)有助于實(shí)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(fù)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(fù)載的不同要求：一個(gè)電壓不可能適合所有負(fù)載。現(xiàn)在的負(fù)載需要多路電壓軌，要求滿足嚴(yán)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(gè)組成部分，需要設(shè)計(jì)在設(shè)備的內(nèi)部和外部。
隨著器件需要更靠近負(fù)載點(diǎn)的推動(dòng)而變得越來越小，我們已經(jīng)看到熱耗散密度隨著時(shí)間推移而上漲的趨勢(shì)。開發(fā)更小功率元件的推動(dòng)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(jiān)，其功率密度正受到了限制。應(yīng)當(dāng)清楚的是，除了更有效率，功率元件還需要更加強(qiáng)于散熱，并支持靈活的熱管理。
新型功率元件實(shí)現(xiàn)了新方法
沒有封裝技術(shù)的根本進(jìn)步，功率密度就不能持續(xù)提升。可用于現(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(jì)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(jìn)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(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)這不是你的專業(yè)領(lǐng)域時(shí)。這里所需要的是一種有大量支持的無風(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)過時(shí)機(jī)。
站在電源設(shè)計(jì)創(chuàng)新前沿的公司Vicor已經(jīng)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(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)更加快速和更加簡單的設(shè)計(jì)周期，來完成項(xiàng)目，并將產(chǎn)品推向市場。
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(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)用來說最重要的標(biāo)準(zhǔn)，為特定設(shè)計(jì)選擇一個(gè)最佳的元件。大多數(shù)工程師恰恰沒有令人奢望的“學(xué)習(xí)時(shí)間”來手動(dòng)完成這項(xiàng)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(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)碾妷很墶＿^多的轉(zhuǎn)換級(jí)將降低應(yīng)用的效率。近年來，電源設(shè)計(jì)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(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，從輸出開始，然后向輸入后向推進(jìn)。從最低功率級(jí)別開始它的運(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)別的畫面。
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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）
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)瓉砉烙?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)和開發(fā)工具
在過去，工程師們是通過參考器件數(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。
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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發(fā)出一個(gè)電源系統(tǒng)，來滿足具有挑戰(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，其他創(chuàng)新將進(jìn)一步簡化電源系統(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。通過使用在線工具，這種方法得以進(jìn)一步簡化。但是，不像許多設(shè)計(jì)方案那樣，功率元件設(shè)計(jì)方法消除了來自設(shè)計(jì)過程的痛苦和風(fēng)險(xiǎn)，而無需工程師花時(shí)間學(xué)習(xí)技術(shù)。無需特殊培訓(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。
