鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2020年06月18日
如何設(shè)計多重負(fù)載系統(tǒng)電源
在過去10年里,業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出多種設(shè)計工具來幫助電源設(shè)計師完成單個直流至直流電源的設(shè)計。這些工具均具備零件選擇、物料成本計算、仿真及建模功能，能夠簡化了設(shè)計流程、加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。但設(shè)計的復(fù)雜性在不斷提高，一塊印刷電路板上往往要10個或更多的電源。目前市場上已出現(xiàn)一種全新的設(shè)計工具，能夠同時配置和設(shè)計多重負(fù)載電源系統(tǒng)，而且還有助于縮小方法體積、提高系統(tǒng)效率以及降低系統(tǒng)成本。
設(shè)計單個電源在電源設(shè)計流程的最初階段，工程師首先要確定電壓與電流規(guī)格，包括最低與最高輸入電壓、輸出電壓及負(fù)載電流。用戶必須針對組件大小、效率及成本，確定整體設(shè)計目標(biāo)。然后，設(shè)計師可以使用美國國家半導(dǎo)體WEBENCH?設(shè)計工具的可視化功能來獲得最符合設(shè)計要求的解決方法。
如圖1顯示,輸入為14至22V，輸出為3.3V、1A典型降壓電源的不同解決方法。y軸表示組件大小，x軸表示效率，圓圈大小表示物料總成本。在此案例中，顯示了一組在輸入下可能獲得的50種不同設(shè)計，而不同設(shè)計之間的性能存在很大差異。這是由于：A)開關(guān)頻率不同，B)設(shè)備有同步與異步開關(guān)之分，C)控制器設(shè)備有外置FET與集成FET之分。圖標(biāo)方式有助于設(shè)計師獲得符合目標(biāo)的最優(yōu)解決方法。
Footprint方法大小
BOMCost物料清單成本
Efficiency效率
系統(tǒng)級設(shè)計假如采用此單個電源設(shè)計方法并將其應(yīng)用至整個系統(tǒng)，則可行的設(shè)計方法數(shù)量就會大幅新增。如圖2顯示,具有FpGA、內(nèi)存、通信及馬達(dá)控制元素的系統(tǒng)板。
圖2：單個系統(tǒng)板中的多重直流負(fù)載示例。此示例要多重電源解決方法。
powerSupplyprotecTIon電源與保護(hù)
Manyloads,ManySupplies多負(fù)載、多電源
CoreSupply核心電源
FpGAIOFpGAIO
VccaVcca
Flash
閃存
SDRAMSDRAM
CCDCCD
pLLpLL
MotorControl馬達(dá)控制
Miscellaneous其它
9Loadsand5Voltages9個負(fù)載和5種電壓
本系統(tǒng)具有48V輸入和9個負(fù)載。設(shè)計系統(tǒng)電源的第一項任務(wù)是將電壓分組在一起，因此我們共有五種電壓。繼而，設(shè)計師要確定所需的架構(gòu)，包括是否要在源電源與負(fù)載點電源之間放置一個或多個中間電壓軌。這種情況如圖3中所示。
中間電壓軌可通過將不同電源的工作周期限制為最佳范圍來提高效率，從而提高系統(tǒng)性能。它還可以通過下列方式來減少成本和方法大?。簩⒏邏航M件限制為中間電源，同時允許下游電源使用低壓組件，而低壓組件通常價格更便宜且體積更小，尤其是在使用陶瓷電容器時，更是如此。確定電壓軌架構(gòu)后，設(shè)計師要優(yōu)化電源以減小方法大小、提高效率及/或降低成本。
IntermediateRail(12V)中間電壓軌(12V)
Supply2(1.25V)電源2(1.25V)
Supply3(3.3V)電源3(3.3V)
Supply4(1.8V)電源4(1.8V)
Suppl
y5(2.5V)電源5(2.5V)
Loads負(fù)載
采用此方法帶來多種可能性。例如，假如有5個不同的電壓軌架構(gòu)和5個不同的電源，而每個電源又有50個可能的電源解決方法，則設(shè)計師現(xiàn)在要考慮1250個選項。再加上5種不同的效率、方法大小和成本優(yōu)化解決方法，則要審閱的解決方法總數(shù)將新增至6250個。因此，關(guān)鍵是要縮小選擇范圍，并使用可視化工具來生成符合設(shè)計目標(biāo)的最佳解決方法。圖4顯示了通過WEBENCHpowerArchitect工具生成的不同系統(tǒng)級設(shè)計的圖表。圖表中的每個圓圈面積均代表不同的架構(gòu)/電壓軌配置，以及方法大小、物料成本或效率的不同優(yōu)化解決方法。正如圖中所示，不同解決方法之間的差異非常大。y5(2.5V)電源5(2.5V)
由9個負(fù)載電源成系統(tǒng)的25個系統(tǒng)解決方法圖表。圖中的顏色代表不同的優(yōu)化解決方法，每個解決方法分別著重于減小系統(tǒng)方法大小、降低系統(tǒng)物料成本或提高系統(tǒng)效率。
SystemBOMCost系統(tǒng)物料成本
SystemFootprint系統(tǒng)方法大小
SystemEfficiency系統(tǒng)效率
優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計在圖4中，不同的顏色代表不同的設(shè)計優(yōu)化解決方法。在為提高效率而優(yōu)化的設(shè)計中，降低了設(shè)計的開關(guān)頻率，以減少交流開關(guān)功率損耗并提高系統(tǒng)效率。但是，為了使電感器紋波電流在較低頻率下保持不變，特地新增了電感，從而新增了電感器覆蓋面積，最終導(dǎo)致整體系統(tǒng)方法變大。同時還導(dǎo)致物料成本新增，而這正是采用較大組件的典型解決方法。
圖標(biāo)右上角的深藍(lán)色表示這些設(shè)計。與此相反，在為減小系統(tǒng)方法大小而優(yōu)化的設(shè)計中，則降低了頻率，從而允許減小電感與電感器大小，同時使電感器紋波電流保持不變。較小的零件通常會更便宜，整體物料成本也因此而降低。最優(yōu)解決方法新增了交流開關(guān)功率損耗，而降低了效率。這些結(jié)果在圖表的左下部分以紅色表示。圖表中所示的其它顏色均為這兩個極限值之間的最優(yōu)解決方法。
顯示具有最低物料清單成本、最小組件覆蓋面積以及最高效率選項，且由9個負(fù)載電源所組成系統(tǒng)的系統(tǒng)解決方法總結(jié)。
LowestCost最低成本
SmallestFootprint最小方法
HighestEfficiency最高效率
顯示的是電源解決方法數(shù)組的極限值，顯而易見，我們要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。要獲得91%的最高系統(tǒng)效率，系統(tǒng)物料成本與組件大小將會比其它極限值選項分別高2.8與4.3倍。與此相反，要獲得最低物料成本或最小方法，效率將會降至85%。但設(shè)計師也可以選擇介于這些極限值之間的選項。因此，我們得出如下結(jié)論：憑借可讓用戶減少并可視化大量多重負(fù)載系統(tǒng)級電源解決方法的工具，可以在設(shè)計階段節(jié)省大量時間，并根據(jù)設(shè)計師的特定需求最終獲得最優(yōu)解決方法。
