DC-DC 系统级电源设计

本文旨在帮助大家更好地建立对 DC-DC 电源系统的完整认知。从项目的实际需求出发，选择适合自身的解决方案，在项目计划时间内，设计出性能符合技术标准的电源系统。

电源系统的重要性

一个良好的电源系统可以充分发挥各个硬件部分最基本的功能，让硬件系统安全稳定地工作。只有硬件系统安全稳定且可靠地运行，基于硬件的各种性能才能充分被利用，而各种应用软件也能正常安稳运行。下图 (图1) 为 ADI 信号链系统电源评估套件：

图1 ADI 信号链系统电源评估套件

电源系统应用场景与性能需求

根据不同的设备和应用场景，工程师对电源系统的需求也会有所不同。如下表 (表1) 所示：

把上述性能需求整合到一起，相信是不少工程师对电源系统的理想追求。然而，在电源系统设计中，没有极至完美的器件、理论和解决方案，电源产品有其性能边界。

性能合格的电源

一个性能合格的电源需要满足以下几个条件：

在正常输入电压条件下能正常启动

启动是一个很关键的问题，也是一个我们经常会遇到的问题状态。我们需要满足在正常输入电压条件下可以正常启动，并考虑启动过程是否需要带负载。

符合输出电压精度需求

输出电压精度需求包含稳态和动态参数，稳态指的是电源稳定带一个确定负载的输出状态，而动态指的是后级设备有负载跳变的状态。

稳态需要保证正常的电压精度和纹波；动态最基本的保障是：负载切换过程中不会造成后级负载过压、欠压。而后级负载切换过程中，输出电压跳变理论上越小越好。优秀的设计要做到满足技术需求。

符合输出电流性能

输出电流需要可以支持启动状态、稳定工作状态、以及动态负荷。

整个电源运作的温升和高转换效率

对于电池供电的设备，很多状态下需要优先考虑转换效率。因为高转换效率可以提高系统续航时间，长续航时间可以直接转换为产品的实际价值。

对于小体积设备，很多时候我们也需要优先考虑电源转换效率，因为电源转换效率直接影响到系统的发热量，而发热量又直接关乎到整个系统的温升，温升在很大程度上会对系统的可靠性和寿命造成影响。

达标的电源寿命

电解电容、光耦都是有寿命的器件。寿命到期，器件性能劣化，最终导致性能失效。电解电容的寿命和温升直接相关，而光耦的寿命和工作年限直接相关。

合理制定项目需求

做项目一开始要分析或确定技术参数的合理性。技术需求定的太高，物料成本、研发周期、以及开发难度都会随之增大，甚至是无法实现。参数定的太保守，对系统的稳定性会埋下隐患，反而需要做大量的细节工作来避免隐患。

我们最经常遇到的问题：这一路电源输出电流做到多大合适？

这个问题，大家可以从 “ 性能合格的电源 ” 章节中谈及的 “ 符合输出电流性能 ” 中得到解答。在满足电源性能合格的五个条件下，把电路难度、成本、开发周期做到最低，就已经非常理想。

PCB 占板面积评估规划

一个系统一般不止一路电源，在考虑电源方案的时候，每一部分的占板面积需要提前做好规划。一旦确定好占板面积，基本就能确定是选择分离器件还是选择集成方案。确定占板面积最关键的一个因素，即是这一路电源的发热功率，单位面积的 PCB 能承受的热功率、散热方式、以及散热条件都有很大的相关性。

选用 Mos 内置方案占板面积小，但是电路发热集中，要小心器件过热。分离器件方案功率器件都是单独器件，发热器件相对分散，对散热有利。提高电源的转换效率，可以降低单位功率的发热量，减小占板面积。下图 (图2) 为 ADI 信号链电源 (SCP) 硬件评估平台：

图2 信号链电源 (SCP) 硬件评估平台

总结

我们在开发一个全新电源系统之前，要先对电源系统有充分的理解，进而明确需求、制定合适的性能指标，才能对项目的应用场景以及方案实现难度做出具体评估。在此基础上制定出的项目解决方案，会最大化地接近实际需求。

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参考资料

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