現(xiàn)在，高性能電源系統(tǒng)已經(jīng)有了長(zhǎng)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(lái)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(lái)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(guò)轉(zhuǎn)向高壓直流(HVDC)配電來(lái)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(lái)設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)。

在這篇文章中，我們探討了問(wèn)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(lái)，大多數(shù)系統(tǒng)的電源需求都采用集中式供電方式來(lái)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(kāi)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(lái)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(wú)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?，F(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(lái)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(kāi)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(lái)，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(méi)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(kāi)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(wú)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(guò)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(jiàn)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(guò)這種方法，而不是使用分立元件開(kāi)發(fā)電源鏈，所有這些關(guān)鍵參數(shù)都已經(jīng)過(guò)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(lái)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(jiǎn)單的設(shè)計(jì)周期，來(lái)完成項(xiàng)目，并將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

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(lái)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(lái)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(kù)，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(lái)說(shuō)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(méi)有令人奢望的“學(xué)習(xí)時(shí)間”來(lái)手動(dòng)完成這項(xiàng)重要任務(wù)。

圖2：使用Vicor的PowerBench工具來(lái)簡(jiǎn)化元件選擇過(guò)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(lái)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(lái)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?。過(guò)多的轉(zhuǎn)換級(jí)將降低應(yīng)用的效率。近年來(lái)，電源設(shè)計(jì)已經(jīng)開(kāi)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(lái)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?；谶x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(kāi)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(kāi)始，然后向輸入后向推進(jìn)。從最低功率級(jí)別開(kāi)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。