电源系统设计的无风险路径

　　功率元件设计方法有三个步骤：确定、构建和实施。

　　步骤1—确定

　　这是一个项目电源需求的“大局”观，定义了电压轨数量、电压和电流的需求，同时考虑项目的时间。在这个阶段，要做出这些需求的列表，并初步考虑可以用来满足这些需求的产品类型。

　　图1：第一步是列出项目的电源需求。在我们的这个例子中，我们假设有11路电压轨，以递减功率级别列于表中。为了方便，我们称之为主电源轨(MR)和辅助电压轨(AR)。备注栏中包含了所有特殊要求。

　　什么样的产品能够满足要求呢?有很多这种信息的来源。例如，Vicor提供了一种解决方案选择工具，可以搜索可用元件的数据库，并推荐满足客户的输入和输出需求的解决方案。利用一个智能工具，如Vicor解决方案选择工具(solution selector)，可将产生可能元件的候选者名单所需要的时间缩短到几乎为零，并且可以很容易地根据对应用来说最重要的标准，为特定设计选择一个最佳的元件。大多数工程师恰恰没有令人奢望的“学习时间”来手动完成这项重要任务。

　　图2：使用Vicor的PowerBench工具来简化元件选择过程。

　　有哪些是可用的典型功率元件：

　　首先是功率传输。在这里，功率元件必须采用高压直流或交流电源，并把它变换为一个安全特低电压(SELV)。在很多高性能应用中，工程师们正在利用高电压和高电流将电源提供给他们的系统。由于来自器件的散热，选择热适应的元件至关重要。这些元件将需要放置在系统内部的多个位置。这包括在一个机箱或主板上安装的电源系统，而每个元件的相应冷却都需要加以考虑。

　　接下来是从SELV传送功率至负载点。工程师们需要为他们的应用谨慎选择适当的电压轨。过多的转换级将降低应用的效率。近年来，电源设计已经开始从12V轨转向可提供更高系统效率的48V轨。我们面临的挑战是选择能够以最高效率提供合适性能的最佳元件。像Vicor的Whiteboard工具可帮助工程师们使用不同SELV来评估其设计的性能。

　　终于有了负载点元件的选择。基于选择的SELV，工程师需要选择达到PoL要求所需的元件，以便可以在高电流时达到低于1V。其中的隔离和调节是必需的，可以使用DC-DC转换器，如Vicor DC转换器模块(DCM)。设计人员还可以使用专为分比式电源架构设计的元件，其中的调节和电压变换/隔离功能是分开的。选择后者有助于设计人员获得高功率密度，这相当于具备了在一个小空间内转换大量电能的能力。

　　步骤2—构建

　　构建系统的第一个步骤是创建一个电源系统的方框图，从输出开始，然后向输入后向推进。从最低功率级别开始它的运作更好，并从那里继续工作，以便可以审查功率元件类别，并随功率级别的增加在必要时做出改变。

　　根据适当功率级别选择正确的元件类别非常重要。例如，在低功耗条件下，系统级封装产品(SiP)，如Vicor ZVS降压稳压器是最好的解决方案。在较高功率级别，更好的方法可能是使用Vicor的ChiP产品(Converter housed in Package，转换器级封装)。根据驱动负载所需的电压轨数量的复杂性，可以在应用中使用SiP和ChiP的组合。

　　这将有助于实现系统内的最大功率密度和成本效益，并保持系统中每个器件的高效率运行。

　　回头看一下图1，很明显，前三路电压轨(MR#1、2和3)是需要最高功率级别器件的电压轨，而最后五路电压轨(MR#7直到AR#2)是功率级别最低的器件。其余的(MR#4直到MR#6)介于两者之间。在这里，设计人员将需要利用自己的判断力，决定器件方面的选择。完成了输出工作后，就可以开始在系统框图类别中建立一个我们需要的电源模块和功率级别的画面。

　　第2步-构建-按类区分

　　图3：从电源轨的需求分析，我们可以判断最合适的功率元件类别。

　　第2步-构建-框图-工作回到输入端(2)

　　第2步-构建-框图-如需要优化评估

　　图4：继续刚才的工作，我们可以确定为每路电压轨提供功率级别需要的元件类别。在这个级，我们应该时刻牢记确保我们平衡负载，并利用每个器件的功率容量所需的功率级别。在这里，我们看到了我们原来估计的优化。

　　第2步-构建-最终框图

　　图5：在这里，我们看到现在引入了驱动电压轨的ACFE。这里非常重要的是判断每路电压轨上的负载，并确保负载均操作于接近具有合适安全裕度的最大值。