电源系统设计的无风险路径—成功构建电源设计

简介

现在，高性能电源系统已经有了长足进展，设计人员正在使用多个输入电压，驱动种类繁多应用的多路电压轨。由于确保PoL稳压器尽可能靠近负载的需求，设计人员需要在一个非常小的范围装满大量功率转换功能。与此同时，企业资源正趋于扩展到工程师期望的多任务地步，常常是由多面手，而不是电源专家来负责设计电源系统。因此，当今复杂的电源要求可能令设计人员非常头痛：如何利用不同资源为多样化的负载提供高性能电源，从而保证架构的所有部分都在其功率和散热范围内运行，同时还可优化效率和成本目标。

新的应用带来了进一步的挑战。例如，随着迁移到更便宜、更清洁、更高效能源的发电，以及政府推动的应用，企业正在寻找如何能够通过转向高压直流(HVDC)配电来满足立法和成本目标。这就需要有不同的方法为所使用的电子设备来设计电源系统。

在这篇文章中，我们探讨了问题、技术、方法、工具和构建模块，这些都可能有助于复杂电源系统项目的顺利完成。

老方法已经被系统需求超越

回首30年来，大多数系统的电源需求都采用集中式供电方式来提供。然而，电子技术的一个趋势是要求设备体积更小、更轻，而功能更加强大。通信设备的开发有助于实现互联网革命，这需要布满了服务器的数据中心。系统将变得更小，提供更高的性能，而其功率要求将变得越来越苛刻。

很明显，其他一些东西也需要发展——为电子器件供电的方式。大型集中式电源根本无法胜任为下一代产品供电的任务，因此，电源转换需要更靠近负载。能够用集中的盒子为设备供电的岁月已一去不复返了。

电源转换需要满足新负载的不同要求：一个电压不可能适合所有负载。现在的负载需要多路电压轨，要求满足严格的调整率的要求，而且需要快速的瞬态响应。因此，电源转换必须成为系统的一个组成部分，需要设计在设备的内部和外部。

随着器件需要更靠近负载点的推动而变得越来越小，我们已经看到热耗散密度随着时间推移而上涨的趋势。开发更小功率元件的推动力已经超出了相应的效率改善。多年来，诸如砖型电源的器件形成了电源系统的中坚，其功率密度正受到了限制。应当清楚的是，除了更有效率，功率元件还需要更加强于散热，并支持灵活的热管理。

新型功率元件实现了新方法

没有封装技术的根本进步，功率密度就不能持续提升。可用于现代系统构建模块的新型功率元件正在开发，这些模块可提供更高的功率密度、更好的散热性能、更大的降压比和集成的磁性结构。这些元件也有助于全新配电设计的出现，包括分比式电源架构(Factorized Power Architecture，FPA)，并支持高压直流(HVDC)等新的应用，这有助于进一步提高效率，并使用替代能源。

那么，工程师如何充分利用现在可用的高性能构建模块，认真考虑并着手构建一个设计，负责设计一个项目中的优化的电源系统呢?这确实是一个艰难的选择——特别是当这不是你的专业领域时。这里所需要的是一种有大量支持的无风险方法，不允许出错;重新投片价格昂贵，而且可能会导致错过时机。

站在电源设计创新前沿的公司Vicor已经率先推出了功率元件设计方法。工程师们可以利用一种行之有效的方法，采用业界成熟的元件，可预见和经济高效地配置高性能电源系统。

功率元件是由专业电源工程师针对效率、功率密度、瞬态响应和EMI进行了全面优化的专用模块。通过这种方法，而不是使用分立元件开发电源链，所有这些关键参数都已经过优化，并为设计师准备好了针对任何电源设计项目的一个最合适的解决方案。另外，这些模块的结构完全适合未来的设计重复使用，节省了时间和精力。

如果再结合可用的系列工具和资源，这种方法将以更低的风险实现一个更加快速和更加简单的设计周期，来完成项目，并将产品推向市场。

功率元件设计方法有三个步骤：确定、构建和实施。

步骤1—确定

这是一个项目电源需求的“大局”观，定义了电压轨数量、电压和电流的需求，同时考虑项目的时间。在这个阶段，要做出这些需求的列表，并初步考虑可以用来满足这些需求的产品类型。

图1：第一步是列出项目的电源需求。在我们的这个例子中，我们假设有11路电压轨，以递减功率级别列于表中。为了方便，我们称之为主电源轨(MR)和辅助电压轨(AR)。备注栏中包含了所有特殊要求。

什么样的产品能够满足要求呢?有很多这种信息的来源。例如，Vicor提供了一种解决方案选择工具，可以搜索可用元件的数据库，并推荐满足客户的输入和输出需求的解决方案。利用一个智能工具，如Vicor解决方案选择工具(solution selector)，可将产生可能元件的候选者名单所需要的时间缩短到几乎为零，并且可以很容易地根据对应用来说最重要的标准，为特定设计选择一个最佳的元件。大多数工程师恰恰没有令人奢望的“学习时间”来手动完成这项重要任务。

图2：使用Vicor的PowerBench工具来简化元件选择过程。

有哪些是可用的典型功率元件：

首先是功率传输。在这里，功率元件必须采用高压直流或交流电源，并把它变换为一个安全特低电压(SELV)。在很多高性能应用中，工程师们正在利用高电压和高电流将电源提供给他们的系统。由于来自器件的散热，选择热适应的元件至关重要。这些元件将需要放置在系统内部的多个位置。这包括在一个机箱或主板上安装的电源系统，而每个元件的相应冷却都需要加以考虑。

接下来是从SELV传送功率至负载点。工程师们需要为他们的应用谨慎选择适当的电压轨。过多的转换级将降低应用的效率。近年来，电源设计已经开始从12V轨转向可提供更高系统效率的48V轨。我们面临的挑战是选择能够以最高效率提供合适性能的最佳元件。像Vicor的Whiteboard工具可帮助工程师们使用不同SELV来评估其设计的性能。

终于有了负载点元件的选择。基于选择的SELV，工程师需要选择达到PoL要求所需的元件，以便可以在高电流时达到低于1V。其中的隔离和调节是必需的，可以使用DC-DC转换器，如Vicor DC转换器模块(DCM)。设计人员还可以使用专为分比式电源架构设计的元件，其中的调节和电压变换/隔离功能是分开的。选择后者有助于设计人员获得高功率密度，这相当于具备了在一个小空间内转换大量电能的能力。

步骤2—构建

构建系统的第一个步骤是创建一个电源系统的方框图，从输出开始，然后向输入后向推进。从最低功率级别开始它的运作更好，并从那里继续工作，以便可以审查功率元件类别，并随功率级别的增加在必要时做出改变。

根据适当功率级别选择正确的元件类别非常重要。例如，在低功耗条件下，系统级封装产品(SiP)，如Vicor ZVS降压稳压器是最好的解决方案。在较高功率级别，更好的方法可能是使用Vicor的ChiP产品(Converter housed in Package，转换器级封装)。根据驱动负载所需的电压轨数量的复杂性，可以在应用中使用SiP和ChiP的组合。

这将有助于实现系统内的最大功率密度和成本效益，并保持系统中每个器件的高效率运行。

回头看一下图1，很明显，前三路电压轨(MR#1、2和3)是需要最高功率级别器件的电压轨，而最后五路电压轨(MR#7直到AR#2)是功率级别最低的器件。其余的(MR#4直到MR#6)介于两者之间。在这里，设计人员将需要利用自己的判断力，决定器件方面的选择。完成了输出工作后，就可以开始在系统框图类别中建立一个我们需要的电源模块和功率级别的画面。

第2步-构建-按类区分

图3：从电源轨的需求分析，我们可以判断最合适的功率元件类别。

第2步-构建-框图-工作回到输入端(2)

图4：继续刚才的工作，我们可以确定为每路电压轨提供功率级别需要的元件类别。在这个级，我们应该时刻牢记确保我们平衡负载，并利用每个器件的功率容量所需的功率级别。在这里，我们看到了我们原来估计的优化。

第2步-构建-最终框图

图5：在这里，我们看到现在引入了驱动电压轨的ACFE。这里非常重要的是判断每路电压轨上的负载，并确保负载均操作于接近具有合适安全裕度的最大值。

步骤3—实施

一旦模块完成，设计人员需要为这些模块匹配器件编号，同时注意实现功能和仿真各自功率转换元件链的所有专用电路。需要开发的其他电路可能包括滤波器、保持电路和电源时序。在设计的这个阶段，工程师还应该考虑散热、端接，以及封装注意事项。

在我们的例子中，对电源有一些特殊的要求：在辅助电压轨上升之前，MR#3上有一个延迟;而对MR#3严格调控将需要使用一个遥感回路。为实现精确的负载电流限制和精确匹配电压轨和负载要求的其他参数，考虑配置PRM也是有意义的。

对于那些需要使用PRM来调整设计的工程师们，Vicor提供了一个PowerBench仿真工具，可帮助进一步了解系统的性能。

图6：PowerBench PRM仿真工具。

设计和开发工具

在过去，工程师们是通过参考器件数据表的计算，做出元件选择并分析每一级的电源系统效率(和总系统性能)。

从数据表查看功效

图7：获得性能信息可能既费时又费力。

虽然完全令人满意，但这种方法可能会变得有点单调乏味。为了简化设计流程和节省时间，Vicor最近推出了PowerBench白板工具(whiteboard)。白板工具是利用一组合适的Vicor电源转换元件设计和分析电源系统的一个在线工具。利用白板工具就不再需要查看包含在数据表中的运行和效率参数，工程师只需利用在线工具绘制出电路框图，所有计算即可在几毫秒内完成。

由Powerbench白板工具产生的更精确、更实际的转换效率达93.17%(以毫秒为单位自动生成)

图8：白板工具采用以毫秒为单位的自动分析设计，并提供性能数据，节约了时间和精力。

通过将系统熟悉的草图符号保留在白板工具上，添加参数自动查找和计算，白板工具可进一步缩短使用功率元件设计方法完成一个设计的时间。

此外，Vicor的解决方案选择工具还可与白板工具紧密结合。因此，解决方案选择工具推荐的设计可以自动将设计导入白板工具，这样工程师就不需要自己绘制系统。这时，工程师可以调整设计，以进一步满足他们的需求，并快速了解设计的效率。

结论

功率元件已经成为帮助工程师为当今电子系统设计复杂、高性能电源系统的一个关键因素。因为电源设计专家已经优化了效率、功率密度、瞬态响应、EMI和成本效益，几乎所有电子工程师都可以利用这些器件开发出一个电源系统，来满足具有挑战性的高性能要求。

在要求更好散热性能的推动下，近期出现了许多功率元件创新。ChiP平台提供了采用双面冷却的强于热散热的解决方案，是板上电源一个很好的范例。在未来，其他创新将进一步简化电源系统设计人员的任务，特别是在电源的前端。

这篇文章表明，功率器件设计方法提供了一个简单的三步方法，使工程师，即使不是电源专家，也可以构建能够提供高效率和高功率密度的复杂电源链。通过使用在线工具，这种方法得以进一步简化。但是，不像许多设计方案那样，功率元件设计方法消除了来自设计过程的痛苦和风险，而无需工程师花时间学习技术。无需特殊培训，工程师们就可以使用这一方法，缩短研发时间，同时确保优化他们的下一个电源链，以提供所需的性能。