详谈关于电源系统设计的无风险路径

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。