钜大LARGE | 点击量：1016次 | 2020年06月18日
如何设计多重负载系统电源
在过去10年里,业界已经开发出多种设计工具来帮助电源设计师完成单个直流至直流电源的设计。这些工具均具备零件选择、物料成本计算、仿真及建模功能，能够简化了设计流程、加快产品上市进程。但设计的复杂性在不断提高，一块印刷电路板上往往要10个或更多的电源。目前市场上已出现一种全新的设计工具，能够同时配置和设计多重负载电源系统，而且还有助于缩小方法体积、提高系统效率以及降低系统成本。
设计单个电源在电源设计流程的最初阶段，工程师首先要确定电压与电流规格，包括最低与最高输入电压、输出电压及负载电流。用户必须针对组件大小、效率及成本，确定整体设计目标。然后，设计师可以使用美国国家半导体WEBENCH®设计工具的可视化功能来获得最符合设计要求的解决方法。
如图1显示,输入为14至22V，输出为3.3V、1A典型降压电源的不同解决方法。y轴表示组件大小，x轴表示效率，圆圈大小表示物料总成本。在此案例中，显示了一组在输入下可能获得的50种不同设计，而不同设计之间的性能存在很大差异。这是由于：A)开关频率不同，B)设备有同步与异步开关之分，C)控制器设备有外置FET与集成FET之分。图标方式有助于设计师获得符合目标的最优解决方法。
Footprint方法大小
BOMCost物料清单成本
Efficiency效率
系统级设计假如采用此单个电源设计方法并将其应用至整个系统，则可行的设计方法数量就会大幅新增。如图2显示,具有FpGA、内存、通信及马达控制元素的系统板。
图2：单个系统板中的多重直流负载示例。此示例要多重电源解决方法。
powerSupplyprotecTIon电源与保护
Manyloads,ManySupplies多负载、多电源
CoreSupply核心电源
FpGAIOFpGAIO
VccaVcca
Flash
闪存
SDRAMSDRAM
CCDCCD
pLLpLL
MotorControl马达控制
Miscellaneous其它
9Loadsand5Voltages9个负载和5种电压
本系统具有48V输入和9个负载。设计系统电源的第一项任务是将电压分组在一起，因此我们共有五种电压。继而，设计师要确定所需的架构，包括是否要在源电源与负载点电源之间放置一个或多个中间电压轨。这种情况如图3中所示。
中间电压轨可通过将不同电源的工作周期限制为最佳范围来提高效率，从而提高系统性能。它还可以通过下列方式来减少成本和方法大小：将高压组件限制为中间电源，同时允许下游电源使用低压组件，而低压组件通常价格更便宜且体积更小，尤其是在使用陶瓷电容器时，更是如此。确定电压轨架构后，设计师要优化电源以减小方法大小、提高效率及/或降低成本。
IntermediateRail(12V)中间电压轨(12V)
Supply2(1.25V)电源2(1.25V)
Supply3(3.3V)电源3(3.3V)
Supply4(1.8V)电源4(1.8V)
Suppl
y5(2.5V)电源5(2.5V)
Loads负载
采用此方法带来多种可能性。例如，假如有5个不同的电压轨架构和5个不同的电源，而每个电源又有50个可能的电源解决方法，则设计师现在要考虑1250个选项。再加上5种不同的效率、方法大小和成本优化解决方法，则要审阅的解决方法总数将新增至6250个。因此，关键是要缩小选择范围，并使用可视化工具来生成符合设计目标的最佳解决方法。图4显示了通过WEBENCHpowerArchitect工具生成的不同系统级设计的图表。图表中的每个圆圈面积均代表不同的架构/电压轨配置，以及方法大小、物料成本或效率的不同优化解决方法。正如图中所示，不同解决方法之间的差异非常大。y5(2.5V)电源5(2.5V)
由9个负载电源成系统的25个系统解决方法图表。图中的颜色代表不同的优化解决方法，每个解决方法分别着重于减小系统方法大小、降低系统物料成本或提高系统效率。
SystemBOMCost系统物料成本
SystemFootprint系统方法大小
SystemEfficiency系统效率
优化系统设计在图4中，不同的颜色代表不同的设计优化解决方法。在为提高效率而优化的设计中，降低了设计的开关频率，以减少交流开关功率损耗并提高系统效率。但是，为了使电感器纹波电流在较低频率下保持不变，特地新增了电感，从而新增了电感器覆盖面积，最终导致整体系统方法变大。同时还导致物料成本新增，而这正是采用较大组件的典型解决方法。
图标右上角的深蓝色表示这些设计。与此相反，在为减小系统方法大小而优化的设计中，则降低了频率，从而允许减小电感与电感器大小，同时使电感器纹波电流保持不变。较小的零件通常会更便宜，整体物料成本也因此而降低。最优解决方法新增了交流开关功率损耗，而降低了效率。这些结果在图表的左下部分以红色表示。图表中所示的其它颜色均为这两个极限值之间的最优解决方法。
显示具有最低物料清单成本、最小组件覆盖面积以及最高效率选项，且由9个负载电源所组成系统的系统解决方法总结。
LowestCost最低成本
SmallestFootprint最小方法
HighestEfficiency最高效率
显示的是电源解决方法数组的极限值，显而易见，我们要进一步优化设计。要获得91%的最高系统效率，系统物料成本与组件大小将会比其它极限值选项分别高2.8与4.3倍。与此相反，要获得最低物料成本或最小方法，效率将会降至85%。但设计师也可以选择介于这些极限值之间的选项。因此，我们得出如下结论：凭借可让用户减少并可视化大量多重负载系统级电源解决方法的工具，可以在设计阶段节省大量时间，并根据设计师的特定需求最终获得最优解决方法。
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