現在，高性能電源系統已經(jīng)有了長(cháng)足進(jìn)展，設計人員正在使用多個(gè)輸入電壓，驅動(dòng)種類(lèi)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(gè)非常小的范圍裝滿(mǎn)大量功率轉換功能。與此同時(shí)，企業(yè)資源正趨于擴展到工程師期望的多任務(wù)地步，常常是由多面手，而不是電源專(zhuān)家來(lái)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(shí)還可優(yōu)化效率和成本目標。

新的應用帶來(lái)了進(jìn)一步的挑戰。例如，隨著(zhù)遷移到更便宜、更清潔、更高效能源的發(fā)電，以及政府推動(dòng)的應用，企業(yè)正在尋找如何能夠通過(guò)轉向高壓直流（HVDC）配電來(lái)滿(mǎn)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(lái)設計電源系統。

在這篇文章中，我們探討了問(wèn)題、技術(shù)、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(jīng)被系統需求超越

回首30年來(lái)，大多數系統的電源需求都采用集中式供電方式來(lái)提供。然而，電子技術(shù)的一個(gè)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(kāi)發(fā)有助于實(shí)現互聯(lián)網(wǎng)革命，這需要布滿(mǎn)了服務(wù)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(lái)越苛刻。

很明顯，其他一些東西也需要發(fā)展——為電子器件供電的方式。大型集中式電源根本無(wú)法勝任為下一代產(chǎn)品供電的任務(wù)，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(mǎn)足新負載的不同要求：一個(gè)電壓不可能適合所有負載�，F在的負載需要多路電壓軌，要求滿(mǎn)足嚴格的調整率的要求，而且需要快速的瞬態(tài)響應。因此，電源轉換必須成為系統的一個(gè)組成部分，需要設計在設備的內部和外部。

隨著(zhù)器件需要更靠近負載點(diǎn)的推動(dòng)而變得越來(lái)越小，我們已經(jīng)看到熱耗散密度隨著(zhù)時(shí)間推移而上漲的趨勢。開(kāi)發(fā)更小功率元件的推動(dòng)力已經(jīng)超出了相應的效率改善。多年來(lái)，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(shí)現了新方法

沒(méi)有封裝技術(shù)的根本進(jìn)步，功率密度就不能持續提升�？捎糜诂F代系統構建模塊的新型功率元件正在開(kāi)發(fā)，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(jìn)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(zhù)手構建一個(gè)設計，負責設計一個(gè)項目中的優(yōu)化的電源系統呢？這確實(shí)是一個(gè)艱難的選擇——特別是當這不是你的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域時(shí)。這里所需要的是一種有大量支持的無(wú)風(fēng)險方法，不允許出錯；重新投片價(jià)格昂貴，而且可能會(huì )導致錯過(guò)時(shí)機。

站在電源設計創(chuàng )新前沿的公司Vicor已經(jīng)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(yè)界成熟的元件，可預見(jiàn)和經(jīng)濟高效地配置高性能電源系統。

功率元件是由專(zhuān)業(yè)電源工程師針對效率、功率密度、瞬態(tài)響應和EMI進(jìn)行了全面優(yōu)化的專(zhuān)用模塊。通過(guò)這種方法，而不是使用分立元件開(kāi)發(fā)電源鏈，所有這些關(guān)鍵參數都已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，并為設計師準備好了針對任何電源設計項目的一個(gè)最合適的解決方案。另外，這些模塊的結構完全適合未來(lái)的設計重復使用，節省了時(shí)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(fēng)險實(shí)現一個(gè)更加快速和更加簡(jiǎn)單的設計周期，來(lái)完成項目，并將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

功率元件設計方法有三個(gè)步驟：確定、構建和實(shí)施。

步驟1—確定

這是一個(gè)項目電源需求的“大局”觀(guān)，定義了電壓軌數量、電壓和電流的需求，同時(shí)考慮項目的時(shí)間。在這個(gè)階段，要做出這些需求的列表，并初步考慮可以用來(lái)滿(mǎn)足這些需求的產(chǎn)品類(lèi)型。

圖1：第一步是列出項目的電源需求。在我們的這個(gè)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(chēng)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(chǎn)品能夠滿(mǎn)足要求呢？有很多這種信息的來(lái)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(mǎn)足客戶(hù)的輸入和輸出需求的解決方案。利用一個(gè)智能工具，如Vicor解決方案選擇工具（solution selector），可將產(chǎn)生可能元件的候選者名單所需要的時(shí)間縮短到幾乎為零，并且可以很容易地根據對應用來(lái)說(shuō)最重要的標準，為特定設計選擇一個(gè)最佳的元件。大多數工程師恰恰沒(méi)有令人奢望的“學(xué)習時(shí)間”來(lái)手動(dòng)完成這項重要任務(wù)。

圖2：使用Vicor的PowerBench工具來(lái)簡(jiǎn)化元件選擇過(guò)程。

有哪些是可用的典型功率元件：

首先是功率傳輸。在這里，功率元件必須采用高壓直流或交流電源，并把它變換為一個(gè)安全特低電壓（SELV）。在很多高性能應用中，工程師們正在利用高電壓和高電流將電源提供給他們的系統。由于來(lái)自器件的散熱，選擇熱適應的元件至關(guān)重要。這些元件將需要放置在系統內部的多個(gè)位置。這包括在一個(gè)機箱或主板上安裝的電源系統，而每個(gè)元件的相應冷卻都需要加以考慮。

接下來(lái)是從SELV傳送功率至負載點(diǎn)。工程師們需要為他們的應用謹慎選擇適當的電壓軌。過(guò)多的轉換級將降低應用的效率。近年來(lái)，電源設計已經(jīng)開(kāi)始從12V軌轉向可提供更高系統效率的48V軌。我們面臨的挑戰是選擇能夠以最高效率提供合適性能的最佳元件。像Vicor的Whiteboard工具可幫助工程師們使用不同SELV來(lái)評估其設計的性能。

終于有了負載點(diǎn)元件的選擇�；�于選擇的SELV，工程師需要選擇達到PoL要求所需的元件，以便可以在高電流時(shí)達到低于1V。其中的隔離和調節是必需的，可以使用DC-DC轉換器，如Vicor DC轉換器模塊（DCM）。設計人員還可以使用專(zhuān)為分比式電源架構設計的元件，其中的調節和電壓變換/隔離功能是分開(kāi)的。選擇后者有助于設計人員獲得高功率密度，這相當于具備了在一個(gè)小空間內轉換大量電能的能力。
步驟2—構建

構建系統的第一個(gè)步驟是創(chuàng )建一個(gè)電源系統的方框圖，從輸出開(kāi)始，然后向輸入后向推進(jìn)。從最低功率級別開(kāi)始它的運作更好，并從那里繼續工作，以便可以審查功率元件類(lèi)別，并隨功率級別的增加在必要時(shí)做出改變。

根據適當功率級別選擇正確的元件類(lèi)別非常重要。例如，在低功耗條件下，系統級封裝產(chǎn)品（SiP），如Vicor ZVS降壓穩壓器是最好的解決方案。在較高功率級別，更好的方法可能是使用Vicor的ChiP產(chǎn)品（Converter housed in Package，轉換器級封裝）。根據驅動(dòng)負載所需的電壓軌數量的復雜性，可以在應用中使用SiP和ChiP的組合。

這將有助于實(shí)現系統內的最大功率密度和成本效益，并保持系統中每個(gè)器件的高效率運行。

回頭看一下圖1，很明顯，前三路電壓軌（MR＃1、2和3）是需要最高功率級別器件的電壓軌，而最后五路電壓軌（MR＃7直到AR＃2）是功率級別最低的器件。其余的（MR＃4直到MR＃6）介于兩者之間。在這里，設計人員將需要利用自己的判斷力，決定器件方面的選擇。完成了輸出工作后，就可以開(kāi)始在系統框圖類(lèi)別中建立一個(gè)我們需要的電源模塊和功率級別的畫(huà)面。

第2步-構建-按類(lèi)區分

圖3：從電源軌的需求分析，我們可以判斷最合適的功率元件類(lèi)別。 

第2步-構建-框圖-工作回到輸入端（2）

第2步-構建-框圖-如需要優(yōu)化評估

圖4：繼續剛才的工作，我們可以確定為每路電壓軌提供功率級別需要的元件類(lèi)別。在這個(gè)級，我們應該時(shí)刻牢記確保我們平衡負載，并利用每個(gè)器件的功率容量所需的功率級別。在這里，我們看到了我們原來(lái)估計的優(yōu)化。

第2步-構建-最終框圖

圖5：在這里，我們看到現在引入了驅動(dòng)電壓軌的ACFE。這里非常重要的是判斷每路電壓軌上的負載，并確保負載均操作于接近具有合適安全裕度的最大值。

步驟3—實(shí)施

一旦模塊完成，設計人員需要為這些模塊匹配器件編號，同時(shí)注意實(shí)現功能和仿真各自功率轉換元件鏈的所有專(zhuān)用電路。需要開(kāi)發(fā)的其他電路可能包括濾波器、保持電路和電源時(shí)序。在設計的這個(gè)階段，工程師還應該考慮散熱、端接，以及封裝注意事項。

在我們的例子中，對電源有一些特殊的要求：在輔助電壓軌上升之前，MR＃3上有一個(gè)延遲；而對MR＃3嚴格調控將需要使用一個(gè)遙感回路。為實(shí)現精確的負載電流限制和精確匹配電壓軌和負載要求的其他參數，考慮配置PRM也是有意義的。

對于那些需要使用PRM來(lái)調整設計的工程師們，Vicor提供了一個(gè)PowerBench仿真工具，可幫助進(jìn)一步了解系統的性能。

圖6：PowerBench PRM仿真工具。

設計和開(kāi)發(fā)工具

在過(guò)去，工程師們是通過(guò)參考器件數據表的計算，做出元件選擇并分析每一級的電源系統效率（和總系統性能）。

從數據表查看功效

圖7：獲得性能信息可能既費時(shí)又費力。

雖然完全令人滿(mǎn)意，但這種方法可能會(huì )變得有點(diǎn)單調乏味。為了簡(jiǎn)化設計流程和節省時(shí)間，Vicor最近推出了PowerBench白板工具（whiteboard）。白板工具是利用一組合適的Vicor電源轉換元件設計和分析電源系統的一個(gè)在線(xiàn)工具。利用白板工具就不再需要查看包含在數據表中的運行和效率參數，工程師只需利用在線(xiàn)工具繪制出電路框圖，所有計算即可在幾毫秒內完成。
由Powerbench白板工具產(chǎn)生的更精確、更實(shí)際的轉換效率達93.17%（以毫秒為單位自動(dòng)生成）

圖8：白板工具采用以毫秒為單位的自動(dòng)分析設計，并提供性能數據，節約了時(shí)間和精力。

通過(guò)將系統熟悉的草圖符號保留在白板工具上，添加參數自動(dòng)查找和計算，白板工具可進(jìn)一步縮短使用功率元件設計方法完成一個(gè)設計的時(shí)間。

此外，Vicor的解決方案選擇工具還可與白板工具緊密結合。因此，解決方案選擇工具推薦的設計可以自動(dòng)將設計導入白板工具，這樣工程師就不需要自己繪制系統。這時(shí)，工程師可以調整設計，以進(jìn)一步滿(mǎn)足他們的需求，并快速了解設計的效率。

結論

功率元件已經(jīng)成為幫助工程師為當今電子系統設計復雜、高性能電源系統的一個(gè)關(guān)鍵因素。因為電源設計專(zhuān)家已經(jīng)優(yōu)化了效率、功率密度、瞬態(tài)響應、EMI和成本效益，幾乎所有電子工程師都可以利用這些器件開(kāi)發(fā)出一個(gè)電源系統，來(lái)滿(mǎn)足具有挑戰性的高性能要求。

在要求更好散熱性能的推動(dòng)下，近期出現了許多功率元件創(chuàng )新。ChiP平臺提供了采用雙面冷卻的強于熱散熱的解決方案，是板上電源一個(gè)很好的范例。在未來(lái)，其他創(chuàng )新將進(jìn)一步簡(jiǎn)化電源系統設計人員的任務(wù)，特別是在電源的前端。

這篇文章表明，功率器件設計方法提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的三步方法，使工程師，即使不是電源專(zhuān)家，也可以構建能夠提供高效率和高功率密度的復雜電源鏈。通過(guò)使用在線(xiàn)工具，這種方法得以進(jìn)一步簡(jiǎn)化。但是，不像許多設計方案那樣，功率元件設計方法消除了來(lái)自設計過(guò)程的痛苦和風(fēng)險，而無(wú)需工程師花時(shí)間學(xué)習技術(shù)。無(wú)需特殊培訓，工程師們就可以使用這一方法，縮短研發(fā)時(shí)間，同時(shí)確保優(yōu)化他們的下一個(gè)電源鏈，以提供所需的性能。