此外，本系列還將介紹整個(gè)電源系統設計所需的 DC-DC 模塊的整體系統集成及支持電路。這包括電源和去耦、濾波和穩定性分析、輸出濾波和瞬態(tài)響應、驅動(dòng)專(zhuān)用負載（即脈沖負載）、安全與保護、均流與容錯陣列以及信號級輸入輸出的注意事項。

 

模塊化設計的優(yōu)勢

 

DC-DC 電源模塊不僅可簡(jiǎn)化整個(gè)系統的設計流程，而且還可為設計人員提供三大優(yōu)勢。

 

高性能 —— DC-DC 模塊提供一種預先認證的解決方案，其特點(diǎn)是高可靠性和高效率，這是當前電源系統的首要問(wèn)題。提供各種各樣的模塊類(lèi)型，這些模塊可在功率密度、集成和效率方面提供大量的優(yōu)勢。

 

模塊化性質(zhì) ——與分立式設計不同，設計者可以利用模塊來(lái)搭建復雜的電源系統，利用高性能供電構建，輕松實(shí)現分布式供電系統。如 Vicor 分比式電源架構 ™ 或較早的中間母線(xiàn)架構。開(kāi)發(fā)完成后，這些解決方案就很容易擴展，滿(mǎn)足不同的需求和不同的功率級。另外，系統設計后期出現的需求變化不會(huì )徹底打亂項目：隨著(zhù)系統需求的不斷發(fā)展，可以替換或增加不同的模塊。

 

速度——有了電源模塊，就有可能縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且從設計概念的形成到最終實(shí)施的整個(gè)過(guò)程遭致的風(fēng)險都可降到最低。

 

設計的 4 個(gè)階段

 

第 1 階段：基本系統需求

 

設計電源系統的第一階段是確定系統需求。請在這個(gè)階段提出以下問(wèn)題，以便為系統及其工作的高級定義形成概念：

 

●     電源從哪里來(lái)？

●     電源的特征是什么？

●     需要提供什么類(lèi)型的負載？

●     什么架構最能滿(mǎn)足系統需求？

 

接下來(lái)，為系統工作電壓、電流及功率級列表。完成列表的方法是：列出負載并根據所需的輸出電壓和負載電流要求對其進(jìn)行組織安排。

 

開(kāi)始考慮可能需要的專(zhuān)用功能也很有用。在以下示例中，有一個(gè) 1.2V 的負載點(diǎn)，電流要求 120A。這一特定的負載有嚴格的穩壓要求，而且可能會(huì )出現高達 200A 的峰值電流。第二個(gè)示例是 2.2V 負載，例如一款必須調整電流的 LED 驅動(dòng)器。

 

 

第 2 階段：系統架構

 

開(kāi)發(fā)供電架構，并開(kāi)始選擇和最終確定滿(mǎn)足系統轉換需求的電源模塊。繪制系統框圖，確定從電源為負載供電的架構。

 

首先列出系統輸出，如圖 1 中最右側所示。負載點(diǎn)范圍可達 48V、16A。對市場(chǎng)上提供的電源模塊進(jìn)行審查，可確定哪種類(lèi)型的模塊適合提供這些負載。

 

 

用負載特征和預估效率來(lái)建立模塊需求的基本系統架構。

 

接下來(lái)考慮系統的一些物理限制。這可能包括為實(shí)施系統提供的空間、滿(mǎn)足隔離需求的設計注意事項，以及能否發(fā)揮專(zhuān)用供電網(wǎng)絡(luò ) (PDN) 架構的優(yōu)勢等。如圖示，將48V總線(xiàn)通過(guò)分比式電源（Vicor開(kāi)發(fā)的架構）為點(diǎn)負載供電。

 

部署好負載和負載點(diǎn)穩壓器和電源模塊后，就可開(kāi)始從負載側到電源的反向工程，使用每個(gè)負載分支的數據表效率估計值推算上游轉換模塊的電流輸出需求。通過(guò)從點(diǎn)負載到48V母線(xiàn)的計算，系統將需要從母線(xiàn)轉換器提供至少 9.5A 的電流，這樣就明確了對模塊的需求。

 

在設計時(shí)通常會(huì )面臨一些必要的調整。例如，2.2V的負載電流規格可能會(huì )加倍。而相應的，設計者只需要將轉換模塊加倍，就可以滿(mǎn)足新的需求。接下調整效率預估值，和負載對上游總線(xiàn)轉換器的需求，就可以完成一個(gè)整體的系統設計圖。

 

第 3 階段：實(shí)施

 

在這個(gè)環(huán)節，系統集成所需的模塊配置和外部線(xiàn)路將會(huì )最終完成。一個(gè)模塊或一組模塊并不是完整的電源系統；跨越從電源到負載的鴻溝，需要解決許多相關(guān)問(wèn)題：

 

●     設計濾波器來(lái)滿(mǎn)足相關(guān)的EMI標準

●     模塊保護范圍通常很窄，僅限于保護模塊本身

●     電源及負載特征決定去耦需求

●     高可靠性應用可能會(huì )有特殊負載或者冗余需求

●     與系統控制器的連接和電源時(shí)序設計

 

設計工作的主要內容就是確定以上問(wèn)題。首先檢查一個(gè)外部線(xiàn)路的典型示例，以下是一個(gè)DC-DC模塊電源的簡(jiǎn)化外部線(xiàn)路。

 

 

使用 DC-DC 電源模塊構建完整系統所需的支持電路的示例。

 

從電源模塊向外展開(kāi)工作，設計人員必須首先減少開(kāi)關(guān)電源的噪聲特征，其中包括輸入端和輸出端的濾波。其次，為確保系統的穩定性，需要分析電源以及配電線(xiàn)路的阻抗，以便對來(lái)自穩壓電源模塊的電源進(jìn)行適當去耦。此外根據不同的工作環(huán)境，可能需要額外的浪涌保護線(xiàn)路，才能滿(mǎn)足安全要求并保護系統免受浪涌和尖峰電壓的損壞。最后，系統設計還必須考慮所有特殊負載注意事項。

 

第 4 階段：模塊控制與監控

 

設計過(guò)程的最后一個(gè)階段是與模塊交互，包括模塊的控制和監控接口。通常模塊電源都低壓的模擬或者數字接口。

 

典型的模擬電源接口可以用來(lái)實(shí)現多種功能，例如輸出電壓微調。用來(lái)連接外部控制器的使能引腳，指示電源故障狀態(tài)的監控引腳，以及用來(lái)監控模塊內部溫度的模擬電壓腳。

 

而數字電源通過(guò) PMBus® 接口，可以提供功能更豐富的控制和監控方式。，其可提供輸出電壓微調控制、啟用/禁用控制以及其它配置選項。另外針對某些特定的需求，還可以提供調節限流點(diǎn)故障保護點(diǎn)的功能。不僅如此，數字電源還可以通過(guò)故障狀態(tài)標志為來(lái)識別欠壓，過(guò)壓，過(guò)流等故障原因。

 

穩壓模塊通常提供遙感功能，其可通過(guò)補償配電線(xiàn)路阻抗壓降，在負載位置實(shí)現更精確的穩壓。遙感利用兩個(gè)傳感器引線(xiàn)的 Kelvin 連接，直接監控負載終端的電壓，因此控制器可抵消大電流配電系統中的壓降。

 

 

電源模塊的模數信號功能。

 

無(wú)論是發(fā)送模擬控制信號還是發(fā)送數字控制信號，重要的是區分信號所參考的地網(wǎng)絡(luò )。如果低功率信號級連接與模塊的功率輸出共享一個(gè)通用接地返回路徑，高頻開(kāi)關(guān)噪聲可能會(huì )通過(guò)路徑上的寄生參數耦合到控制信號中，導致工作不穩定。為了避免以上情況，必須將信號地單點(diǎn)連接到功率地上。

 

總結

 

本文介紹了DCDC電源模塊系統設計的流程，以下系列教程將更詳細介紹設計第 3 階段的主要注意事項。

 

 

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