要怎么樣設計多重負載系統電源

在過去10年里,業界已經開發出多種設計工具來幫助電源設計師完成單個直流至直流電源的設計。這些工具均具備零件選擇、物料成本計算、仿真及建模功能，能夠簡化了設計流程、加快產品上市進程。但設計的復雜性在不斷提高，一塊印刷電路板上往往要10個或更多的電源。目前市場上已出現一種全新的設計工具，能夠同時配置和設計多重負載電源系統，而且還有助于縮小辦法體積、提高系統效率以及降低系統成本。

設計單個電源在電源設計流程的最初階段，工程師首先要確定電壓與電流規格，包括最低與最高輸入電壓、輸出電壓及負載電流。用戶非得針對組件大小、效率及成本，確定整體設計目標。然后，設計師可以使用美國國家半導體WEBENCH?設計工具的可視化功能來獲得最符合設計要求的處理辦法。

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處理辦法。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種不同設計，而不同設計之間的性能存在很大差異。這是由于：A)開關頻率不同，B)設備有同步與異步開關之分，C)控制器設備有外置FET與集成FET之分。圖標方式有助于設計師獲得符合目標的最優處理辦法。

圖1：一組在特定輸入下辦法大小、效率及物料成本之間進行權衡后50種不同的電源處理辦法

Footprint辦法大小

BOMCost物料清單成本

Efficiency效率

系統級設計倘若采用此單個電源設計辦法并將其使用至整個系統，則可行的設計辦法數量就會大幅新增。如圖2顯示,具有FpGA、內存、通信及馬達控制元素的系統板。

圖2：單個系統板中的多重直流負載示例。此示例要多重電源處理辦法。

powerSupplyprotecTIon電源與保護

Manyloads,ManySupplies多負載、多電源

CoreSupply核心電源

FpGAIOFpGAIO

VccaVcca

Flash

閃存

SDRAMSDRAM

CCDCCD

pLLpLL

MotorControl馬達控制

Miscellaneous其它

9Loadsand5Voltages9個負載和5種電壓

本系統具有48V輸入和9個負載。設計系統電源的第一項任務是將電壓分組在一起，因此我們共有五種電壓。繼而，設計師要確定所需的架構，包括是不是要在源電源與負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，從而提高系統性能。它還可以通過下列方式來減少成本和辦法大小：將高壓組件限制為中間電源，同時準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。確定電壓軌架構后，設計師要優化電源以減小辦法大小、提高效率及/或降低成本。

圖3是1個12伏特中間電壓軌電源和4個負載點電源組成的典型電源系統架構。上圖同時也是每個電源的最優處理辦法圖表，其中包括大量要考慮的選項。

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負載

采用此辦法帶來多種可能性。例如，倘若有5個不同的電壓軌架構和5個不同的電源，而每個電源又有50個可能的電源處理辦法，則設計師今朝要考慮1250個選項。再加上5種不同的效率、辦法大小和成本優化處理辦法，則要審閱的處理辦法總數將新增至6250個。因此，關鍵是要縮小選擇范圍，并使用可視化工具來生成符合設計目標的最佳處理辦法。圖4顯示了通過WEBENCHpowerArchitect工具生成的不同系統級設計的圖表。圖表中的每個圓圈面積均代表不同的架構/電壓軌配置，以及辦法大小、物料成本或效率的不同優化處理辦法。正如圖中所示，不同處理辦法之間的差異非常大。y5(2.5V)電源5(2.5V)

由9個負載電源成系統的25個系統處理辦法圖表。圖中的顏色代表不同的優化處理辦法，每個處理辦法分別著重于減小系統辦法大小、降低系統物料成本或提高系統效率。

SystemBOMCost系統物料成本

SystemFootprint系統辦法大小

SystemEfficiency系統效率

優化系統設計在圖4中，不同的顏色代表不同的設計優化處理辦法。在為提高效率而優化的設計中，降低了設計的開關頻率，以減少交流開關功率損耗并提高系統效率。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，從而新增了電感器傾覆面積，最終導致整體系統辦法變大。同時還導致物料成本新增，而這正是采用較大組件的典型處理辦法。

圖標右上角的深藍色表示這些設計。與此相反，在為減小系統辦法大小而優化的設計中，則降低了頻率，從而準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。最優處理辦法新增了交流開關功率損耗，而降低了效率。這些結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處理辦法。

顯示具有最低物料清單成本、最小組件傾覆面積以及最高效率選項，且由9個負載電源所組成系統的系統處理辦法總結。

LowestCost最低成本

SmallestFootprint最小辦法

HighestEfficiency最高效率

顯示的是電源處理辦法數組的極限值，顯而易見，我們要進一步優化設計。要獲得91%的最高系統效率，系統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辦法，效率將會降至85%。但設計師也可以選擇介于這些極限值之間的選項。因此，我們得出如下結論：憑借可讓用戶減少并可視化大量多重負載系統級電源處理辦法的工具，可以在設計階段節省大量時間，并依據設計師的特定需求最終獲得最優處理辦法。

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