電源系統設計的無風險路徑
2014-12-01 13:18:14 本站原創——成功構建電源設計
作者：Vicor全球營銷總監Robert DeRobertis
簡介
現在，高性能電源系統已經有了長足進展，設計人員正在使用多個輸入電壓，驅動種類繁多應用的多路電壓軌。由于確保PoL穩壓器盡可能靠近負載的需求，設計人員需要在一個非常小的范圍裝滿大量功率轉換功能。與此同時，企業資源正趨于擴展到工程師期望的多任務地步，常常是由多面手，而不是電源專家來負責設計電源系統。因此，當今復雜的電源要求可能令設計人員非常頭痛：如何利用不同資源為多樣化的負載提供高性能電源，從而保證架構的所有部分都在其功率和散熱范圍內運行，同時還可優化效率和成本目標。
新的應用帶來了進一步的挑戰。例如，隨著遷移到更便宜、更清潔、更高效能源的發電，以及政府推動的應用，企業正在尋找如何能夠通過轉向高壓直流（HVDC）配電來滿足立法和成本目標。這就需要有不同的方法為所使用的電子設備來設計電源系統。
在這篇文章中，我們探討了問題、技術、方法、工具和構建模塊，這些都可能有助于復雜電源系統項目的順利完成。
老方法已經被系統需求超越
回首30年來，大多數系統的電源需求都采用集中式供電方式來提供。然而，電子技術的一個趨勢是要求設備體積更小、更輕，而功能更加強大。通信設備的開發有助于實現互聯網革命，這需要布滿了服務器的數據中心。系統將變得更小，提供更高的性能，而其功率要求將變得越來越苛刻。
很明顯，其他一些東西也需要發展——為電子器件供電的方式。大型集中式電源根本無法勝任為下一代產品供電的任務，因此，電源轉換需要更靠近負載。能夠用集中的盒子為設備供電的歲月已一去不復返了。
電源轉換需要滿足新負載的不同要求：一個電壓不可能適合所有負載。現在的負載需要多路電壓軌，要求滿足嚴格的調整率的要求，而且需要快速的瞬態響應。因此，電源轉換必須成為系統的一個組成部分，需要設計在設備的內部和外部。
隨著器件需要更靠近負載點的推動而變得越來越小，我們已經看到熱耗散密度隨著時間推移而上漲的趨勢。開發更小功率元件的推動力已經超出了相應的效率改善。多年來，諸如磚型電源的器件形成了電源系統的中堅，其功率密度正受到了限制。應當清楚的是，除了更有效率，功率元件還需要更加強于散熱，并支持靈活的熱管理。
新型功率元件實現了新方法
沒有封裝技術的根本進步，功率密度就不能持續提升。可用于現代系統構建模塊的新型功率元件正在開發，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構。這些元件也有助于全新配電設計的出現，包括分比式電源架構（Factorized Power Architecture，FPA），并支持高壓直流（HVDC）等新的應用，這有助于進一步提高效率，并使用替代能源。
那么，工程師如何充分利用現在可用的高性能構建模塊，認真考慮并著手構建一個設計，負責設計一個項目中的優化的電源系統呢？這確實是一個艱難的選擇——特別是當這不是你的專業領域時。這里所需要的是一種有大量支持的無風險方法，不允許出錯；重新投片價格昂貴，而且可能會導致錯過時機。
站在電源設計創新前沿的公司Vicor已經率先推出了功率元件設計方法。工程師們可以利用一種行之有效的方法，采用業界成熟的元件，可預見和經濟高效地配置高性能電源系統。
功率元件是由專業電源工程師針對效率、功率密度、瞬態響應和EMI進行了全面優化的專用模塊。通過這種方法，而不是使用分立元件開發電源鏈，所有這些關鍵參數都已經過優化，并為設計師準備好了針對任何電源設計項目的一個最合適的解決方案。另外，這些模塊的結構完全適合未來的設計重復使用，節省了時間和精力。
如果再結合可用的系列工具和資源，這種方法將以更低的風險實現一個更加快速和更加簡單的設計周期，來完成項目，并將產品推向市場。
功率元件設計方法有三個步驟：確定、構建和實施。
步驟1—確定
這是一個項目電源需求的“大局”觀，定義了電壓軌數量、電壓和電流的需求，同時考慮項目的時間。在這個階段，要做出這些需求的列表，并初步考慮可以用來滿足這些需求的產品類型。
圖1：第一步是列出項目的電源需求。在我們的這個例子中，我們假設有11路電壓軌，以遞減功率級別列于表中。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。
什么樣的產品能夠滿足要求呢？有很多這種信息的來源。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據庫，并推薦滿足客戶的輸入和輸出需求的解決方案。利用一個智能工具，如Vicor解決方案選擇工具（solution selector），可將產生可能元件的候選者名單所需要的時間縮短到幾乎為零，并且可以很容易地根據對應用來說最重要的標準，為特定設計選擇一個最佳的元件。大多數工程師恰恰沒有令人奢望的“學習時間”來手動完成這項重要任務。
圖2：使用Vicor的PowerBench工具來簡化元件選擇過程。
