设计多级工业电源的方法详解 - 全文

　　美国国家半导体已推出SIMPLE SWITCHER® 产品系列多款电源模块。其中，LMZ 系列模块是高集成度、高效降压稳压器，采用新型高性能封装。它集成电感器与单片同步稳压器此外，美国国家半导体推出了全新在线工具 WEBENCH® Power Architect，该工具可以让工程师在几秒内完成构思设计、建模及方案落实，从而迅速为整个电子系统设计出高性能的多输出直流/直流电源，以往这些工作则需花数个小时的时间。

　　本文详细介绍了如何在典型工业用24V电源环境下，借助WEBENCH Power Architect 中的新的电源模块来设计高效的多输出电源。该工业用24V电源在第一阶段中将电源转换为中间电压轨，最后转换为典型负载点电压和负载点电流。本文旨在说明各个阶段的设计方法及其根据项目要求易于修改和优化的特性。

　　

　　图 1 _SS 电源模块 PR2290

　　各种工业应用对电源的要求基本相同。下面引用的是典型应用如 FPGA 电源等所需的主要参数值。在马达控制、自动化网络和机器视觉领域中，可以依照此步骤采用相同的设计方法。

　　第一步确定电源输入的可能电压值：

　　Vin nom operating：24V

　　Vin operating：18V~30.5V

　　Vin transient：36V~42V

　　Tambient operating：-40℃~+85℃（不含外部散热器或风扇）

　　在这里将略过 IEC 61132 PLC 规定的静电释放 （ESD）、突发和浪涌以及电流注入等要求。因此，可以单独设计电源，而无需考虑为满足上述测试要求而设计系统稳健性的保护电路。

　　我们使用美国国家半导体的 WEBENCH Power Architect工具设计多输出方案，可通过 www.national.com/analog/webench/power_architect 访问这一创新的在线工具。在该工具启动后的登陆页面（配置步骤）上将看到一个面板，在面板上可以填写输入和负载规格。应以实际应用中负载的名称命名填写的输入负载。

　　电源：“24V 工业电压轨” VMin：18V VMax：42V Tambient：85℃

　　应使用“添加负载”按钮设定各负载规格。

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

　　LOAD_2：“模拟电源” VLoad：2.5V ILoadMax：0.5A

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

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

　　LOAD_5：“通用用途” VLoad：5V ILoadMax：1A

　　我们可以尽可能地使用模块，并选择“首选模块解决方案”选项。

　　点击“提交项目要求”按钮将启动复杂的计算和优化过程，最终将通过三种不同的设计工具显示多个解决方案。在第一次选择中可以限制显示的解决方案数量，以便简化结果。

　　表格与框图：

　　每行代表一个完整的多输出电源设计方案，并列出了主要的系统参数。高亮显示的一行，代表着具有最佳效率与成本的备选方案，其对应的框图显示在右侧。

　　图形化图表（图 2）：

　　

　　图 2 _Webench PA_ 优化项目阶段_ 图形

　　

　　图 3 _Webench PA_优化项目阶段_拨盘

　　每个圆对应表格中的一行，将鼠标移到圆上方即可识别特定设计。本图可让您轻松了解占位面积（y 轴）、效率（x 轴）和成本（圆的面积大小）之间的关系。

　　“优化调谐”拨盘（图 3）的指针可向“最低 BOM 成本”或“最高效率”方向转动。这将在图形和表格（图 2）中添加更多的设计解决方案。黄色圆对应着表格中高亮标注的设计和实际显示出的框图。参考其它圆与优化拨盘刻度的背景色色差，可以了解到相关的优化策略。

　　这样，设计师便能一目了然地看出选择某个总线电压或解决方案架构对成本和效率的影响。

　　我们将在后续步骤中，使用 WEBENCH 高亮标出的具有最佳性能的设计方案，，总线电压设定为 5V，这是为了让工作在5V 电压轨下的零件能获得最佳效率和性价比。

　　单击“查看项目详细信息”的按钮可进入下一级页面，将显示出最终框图（如图 4所示）、所选的电源模块的原理图，以及显示出每个模块功耗、价格和占位面积间比例关系的饼图（如图 5所示）。图表中的颜色对应着框图中相应的模块。

　　

　　图 4 _Webench PA_查看项目阶段_图解 1

　　

　　图 5 _Webench PA_查看项目阶段_饼图 1

　　到这里我们可以认为设计已经完成，选定的解决方案仅使用了电源模块就带来了上述全部优势。

　　Power Architect 还提供了进一步优化所选架构的可能。它允许在选定的设计中替换零件。在我们的示例中，我们注意到第一阶段中的 LMZ14203 模块是导致功率损耗的最主要因素（如图 6所示）。在饼图下方的窗口中单击该器件，并选择“替代方案”（如图 7所示）。将器件按效率排序（单击相应的列）并选择 LM3150，这样即将总效率提高 5%，达到 79%。另一个优化选项为解决方案成本，饼图显示了负载电流仅为0.5A 的三个模块对成本的巨大影响。因此，我们按“BOM 美元成本”排序，将“替代方案”中的这三个模块替换为 LM3674，这样可使系统总效率仍保持较高的水平 （81%），但同时能削减一半以上的方案成本。

　　

　　图 6 _Webench PA_查看项目阶段_图解 2

　　

　　图 7 _Webench PA_查看项目阶段_饼图 2

　　结论

　　使用WEBENCH Power Architect可在几秒内设计出多输出电源，在进行多个工业标准设计时，它具有极大的设计与优化的灵活性。电源模块为这些设计提供了最高的集成度和可靠性。美国国家半导体将会发布更多用于电源模块的电压和功率选项，这将极大地增加此类复杂的电源解决方案的设计灵活性。