現在，高性能電源係統已經有了長足進展
，設計人員正在使用多個輸入電壓，驅動種類繁多應用的多路電壓軌。由於確保PoLwenyaqijinkenengkaojinfuzaidexuqiu，shejirenyuanxuyaozaiyigefeichangxiaodefanweizhuangmandalianggonglvzhuanhuangongneng。yucitongshi，qiyeziyuanzhengquyukuozhandaogongchengshiqiwangdeduorenwudibu，changchangshiyouduomianshou，erbushidianyuanzhuanjialaifuzeshejidianyuanxitong。yinci
，dangjinfuzadedianyuanyaoqiukenenglingshejirenyuanfeichangtoutong：如ru何he利li用yong不bu同tong資zi源yuan為wei多duo樣yang化hua的de負fu載zai提ti供gong高gao性xing能neng電dian源yuan，從cong而er保bao證zheng架jia構gou的de所suo有you部bu分fen都dou在zai其qi功gong率lv和he散san熱re範fan圍wei內nei運yun行xing
，同tong時shi還hai可ke優you化hua效xiao率lv和he成cheng本ben目mu標biao。

 

新的應用帶來了進一步的挑戰。例如
，隨著遷移到更便宜
、更清潔
、更高效能源的發電，以及政府推動的應用，企業正在尋找如何能夠通過轉向高壓直流（HVDC）配電來滿足立法和成本目標。這就需要有不同的方法為所使用的電子設備來設計電源係統。

 

在這篇文章中，我們探討了問題、技術、方法、工具和構建模塊，這些都可能有助於複雜電源係統項目的順利完成。

 

 

回首30年來，大多數係統的電源需求都采用集中式供電方式來提供。然而

，電子技術的一個趨勢是要求設備體積更小、gengqing，ergongnenggengjiaqiangda。tongxinshebeidekaifayouzhuyushixianhulianwanggeming，zhexuyaobumanlefuwuqideshujuzhongxin。xitongjiangbiandegengxiao
，tigonggenggaodexingneng，erqigonglvyaoqiujiangbiandeyuelaiyuekeke。

 

很明顯，其他一些東西也需要發展——為(wei)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)供(gong)電(dian)的(de)方(fang)式(shi)。大(da)型(xing)集(ji)中(zhong)式(shi)電(dian)源(yuan)根(gen)本(ben)無(wu)法(fa)勝(sheng)任(ren)為(wei)下(xia)一(yi)代(dai)產(chan)品(pin)供(gong)電(dian)的(de)任(ren)務(wu)
，因(yin)此(ci)，電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)需(xu)要(yao)更(geng)靠(kao)近(jin)負(fu)載(zai)。能(neng)夠(gou)用(yong)集(ji)中(zhong)的(de)盒(he)子(zi)為(wei)設(she)備(bei)供(gong)電(dian)的(de)歲(sui)月(yue)已(yi)一(yi)去(qu)不(bu)複(fu)返(fan)了(le)。

 

電源轉換需要滿足新負載的不同要求：一yi個ge電dian壓ya不bu可ke能neng適shi合he所suo有you負fu載zai。現xian在zai的de負fu載zai需xu要yao多duo路lu電dian壓ya軌gui，要yao求qiu滿man足zu嚴yan格ge的de調tiao整zheng率lv的de要yao求qiu，而er且qie需xu要yao快kuai速su的de瞬shun態tai響xiang應ying。因yin此ci
，電dian源yuan轉zhuan換huan必bi須xu成cheng為wei係xi統tong的de一yi個ge組zu成cheng部bu分fen，需xu要yao設she計ji在zai設she備bei的de內nei部bu和he外wai部bu。

 

suizheqijianxuyaogengkaojinfuzaidiandetuidongerbiandeyuelaiyuexiao，womenyijingkandaorehaosanmidusuizheshijiantuiyiershangzhangdequshi。kaifagengxiaogonglvyuanjiandetuidongliyijingchaochulexiangyingdexiaolvgaishan。duonianlai，zhuruzhuanxingdianyuandeqijianxingchengledianyuanxitongdezhongjian，qigonglvmiduzhengshoudaolexianzhi。yingdangqingchudeshi
，chulegengyouxiaolv，gonglvyuanjianhaixuyaogengjiaqiangyusanre，bingzhichilinghuodereguanli。

 

 

meiyoufengzhuangjishudegenbenjinbu
，gonglvmidujiubunengchixutisheng。keyongyuxiandaixitonggoujianmokuaidexinxinggonglvyuanjianzhengzaikaifa
，zhexiemokuaiketigonggenggaodegonglvmidu

、更好的散熱性能
、更大的降壓比和集成的磁性結構。這些元件也有助於全新配電設計的出現，包括分比式電源架構（Factorized Power Architecture，FPA）
，並支持高壓直流（HVDC）等新的應用
，這有助於進一步提高效率，並使用替代能源。

 

name
，gongchengshiruhechongfenliyongxianzaikeyongdegaoxingnenggoujianmokuai，renzhenkaolvbingzheshougoujianyigesheji
，fuzeshejiyigexiangmuzhongdeyouhuadedianyuanxitongne？zhequeshishiyigejiannandexuanze——特別是當這不是你的專業領域時。這裏所需要的是一種有大量支持的無風險方法，不允許出錯；重新投片價格昂貴
，而且可能會導致錯過時機。

 

站在電源設計創新前沿的公司Vicor已(yi)經(jing)率(lv)先(xian)推(tui)出(chu)了(le)功(gong)率(lv)元(yuan)件(jian)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)。工(gong)程(cheng)師(shi)們(men)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)一(yi)種(zhong)行(xing)之(zhi)有(you)效(xiao)的(de)方(fang)法(fa)，采(cai)用(yong)業(ye)界(jie)成(cheng)熟(shu)的(de)元(yuan)件(jian)，可(ke)預(yu)見(jian)和(he)經(jing)濟(ji)高(gao)效(xiao)地(di)配(pei)置(zhi)高(gao)性(xing)能(neng)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)。

 

功率元件是由專業電源工程師針對效率、功率密度
、瞬態響應和EMI進(jin)行(xing)了(le)全(quan)麵(mian)優(you)化(hua)的(de)專(zhuan)用(yong)模(mo)塊(kuai)。通(tong)過(guo)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)
，而(er)不(bu)是(shi)使(shi)用(yong)分(fen)立(li)元(yuan)件(jian)開(kai)發(fa)電(dian)源(yuan)鏈(lian)，所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)關(guan)鍵(jian)參(can)數(shu)都(dou)已(yi)經(jing)過(guo)優(you)化(hua)
，並(bing)為(wei)設(she)計(ji)師(shi)準(zhun)備(bei)好(hao)了(le)針(zhen)對(dui)任(ren)何(he)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)項(xiang)目(mu)的(de)一(yi)個(ge)最(zui)合(he)適(shi)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。另(ling)外(wai)
，這(zhe)些(xie)模(mo)塊(kuai)的(de)結(jie)構(gou)完(wan)全(quan)適(shi)合(he)未(wei)來(lai)的(de)設(she)計(ji)重(zhong)複(fu)使(shi)用(yong)，節(jie)省(sheng)了(le)時(shi)間(jian)和(he)精(jing)力(li)。

 

如(ru)果(guo)再(zai)結(jie)合(he)可(ke)用(yong)的(de)係(xi)列(lie)工(gong)具(ju)和(he)資(zi)源(yuan)
，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)將(jiang)以(yi)更(geng)低(di)的(de)風(feng)險(xian)實(shi)現(xian)一(yi)個(ge)更(geng)加(jia)快(kuai)速(su)和(he)更(geng)加(jia)簡(jian)單(dan)的(de)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)，來(lai)完(wan)成(cheng)項(xiang)目(mu)
，並(bing)將(jiang)產(chan)品(pin)推(tui)向(xiang)市(shi)場(chang)。

 

功率元件設計方法有三個步驟：確定、構建和實施。

 

 

這是一個項目電源需求的“大局”觀，定義了電壓軌數量
、電壓和電流的需求
，同時考慮項目的時間。在這個階段
，要做出這些需求的列表，並初步考慮可以用來滿足這些需求的產品類型。

 

 

圖1：第一步是列出項目的電源需求。在我們的這個例子中，我們假設有11路電壓軌，
以遞減功率級別列於表中。為了方便
，我們稱之為主電源軌（MR）和輔助電壓軌（AR）。備注欄中包含了所有特殊要求。

 

什麼樣的產品能夠滿足要求呢？有很多這種信息的來源。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，並推薦滿足客戶的輸入和輸出需求的解決方案。利用一個智能工具，如Vicor解決方案選擇工具（solution selector）
，可ke將jiang產chan生sheng可ke能neng元yuan件jian的de候hou選xuan者zhe名ming單dan所suo需xu要yao的de時shi間jian縮suo短duan到dao幾ji乎hu為wei零ling，並bing且qie可ke以yi很hen容rong易yi地di根gen據ju對dui應ying用yong來lai說shuo最zui重zhong要yao的de標biao準zhun
，為wei特te定ding設she計ji選xuan擇ze一yi個ge最zui佳jia的de元yuan件jian。大da多duo數shu工gong程cheng師shi恰qia恰qia沒mei有you令ling人ren奢she望wang的de“學習時間”來手動完成這項重要任務。

 

 

圖2：使用Vicor的PowerBench工具來簡化元件選擇過程。

 

 

首先是功率傳輸。在這裏，功率元件必須采用高壓直流或交流電源，並把它變換為一個安全特低電壓（SELV）。在zai很hen多duo高gao性xing能neng應ying用yong中zhong，工gong程cheng師shi們men正zheng在zai利li用yong高gao電dian壓ya和he高gao電dian流liu將jiang電dian源yuan提ti供gong給gei他ta們men的de係xi統tong。由you於yu來lai自zi器qi件jian的de散san熱re，選xuan擇ze熱re適shi應ying的de元yuan件jian至zhi關guan重zhong要yao。這zhe些xie元yuan件jian將jiang需xu要yao放fang置zhi在zai係xi統tong內nei部bu的de多duo個ge位wei置zhi。這zhe包bao括kuo在zai一yi個ge機ji箱xiang或huo主zhu板ban上shang安an裝zhuang的de電dian源yuan係xi統tong，而er每mei個ge元yuan件jian的de相xiang應ying冷leng卻que都dou需xu要yao加jia以yi考kao慮lv。

 

接下來是從SELV傳chuan送song功gong率lv至zhi負fu載zai點dian。工gong程cheng師shi們men需xu要yao為wei他ta們men的de應ying用yong謹jin慎shen選xuan擇ze適shi當dang的de電dian壓ya軌gui。過guo多duo的de轉zhuan換huan級ji將jiang降jiang低di應ying用yong的de效xiao率lv。近jin年nian來lai，電dian源yuan設she計ji已yi經jing開kai始shi從cong12V軌轉向可提供更高係統效率的48V軌。我們麵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來評估其設計的性能。

 

終於有了負載點元件的選擇。基於選擇的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達到低於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/隔離功能是分開的。選擇後者有助於設計人員獲得高功率密度，這相當於具備了在一個小空間內轉換大量電能的能力。

 

 

goujianxitongdediyigebuzhoushichuangjianyigedianyuanxitongdefangkuangtu，congshuchukaishi，ranhouxiangshuruhouxiangtuijin。congzuidigonglvjibiekaishitadeyunzuogenghao，bingcongnalijixugongzuo，yibiankeyishenzhagonglvyuanjianleibie，bingsuigonglvjibiedezengjiazaibiyaoshizuochugaibian。

 

根據適當功率級別選擇正確的元件類別非常重要。例如，在低功耗條件下，係統級封裝產品（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產品（Converter housed in Package
，轉換器級封裝）。根據驅動負載所需的電壓軌數量的複雜性
，可以在應用中使用SiP和ChiP的組合。

 

這將有助於實現係統內的最大功率密度和成本效益，並保持係統中每個器件的高效率運行。

 

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，而最後五路電壓軌（MR＃7直到AR＃2）是功率級別最低的器件。其餘的（MR＃4直到MR＃6）jieyuliangzhezhijian。zaizheli，shejirenyuanjiangxuyaoliyongzijidepanduanli，juedingqijianfangmiandexuanze。wanchengleshuchugongzuohou，jiukeyikaishizaixitongkuangtuleibiezhongjianliyigewomenxuyaodedianyuanmokuaihegonglvjibiedehuamian。

 

 

 

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別。
在這個級，我們應該時刻牢記確保我們平衡負載
，並利用每個器件的功率容量所需的功率級別。
在這裏，我們看到了我們原來估計的優化。

 

第2步-構建-最終框圖

 

圖5：在這裏，我們看到現在引入了驅動電壓軌的ACFE。這裏非常重要的是判斷每路電壓軌上的負載，
並確保負載均操作於接近具有合適安全裕度的最大值。

 

 

一(yi)旦(dan)模(mo)塊(kuai)完(wan)成(cheng)
，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)需(xu)要(yao)為(wei)這(zhe)些(xie)模(mo)塊(kuai)匹(pi)配(pei)器(qi)件(jian)編(bian)號(hao)

，同(tong)時(shi)注(zhu)意(yi)實(shi)現(xian)功(gong)能(neng)和(he)仿(fang)真(zhen)各(ge)自(zi)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)元(yuan)件(jian)鏈(lian)的(de)所(suo)有(you)專(zhuan)用(yong)電(dian)路(lu)。需(xu)要(yao)開(kai)發(fa)的(de)其(qi)他(ta)電(dian)路(lu)可(ke)能(neng)包(bao)括(kuo)濾(lv)波(bo)器(qi)、保持電路和電源時序。在設計的這個階段，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上有一個延遲
；而對MR＃3嚴格調控將需要使用一個遙感回路。為實現精確的負載電流限製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。

 

對於那些需要使用PRM來調整設計的工程師們，Vicor提供了一個PowerBench仿真工具，可幫助進一步了解係統的性能。

 

 

圖6：PowerBench PRM仿真工具。

 

 

在過去
，工程師們是通過參考器件數據表的計算，做出元件選擇並分析每一級的電源係統效率（和總係統性能）。

從數據表查看功效

 

 

圖7：獲得性能信息可能既費時又費力。

 

雖然完全令人滿意
，但這種方法可能會變得有點單調乏味。為了簡化設計流程和節省時間，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(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)元(yuan)件(jian)設(she)計(ji)和(he)分(fen)析(xi)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)的(de)一(yi)個(ge)在(zai)線(xian)工(gong)具(ju)。利(li)用(yong)白(bai)板(ban)工(gong)具(ju)就(jiu)不(bu)再(zai)需(xu)要(yao)查(zha)看(kan)包(bao)含(han)在(zai)數(shu)據(ju)表(biao)中(zhong)的(de)運(yun)行(xing)和(he)效(xiao)率(lv)參(can)數(shu)
，工(gong)程(cheng)師(shi)隻(zhi)需(xu)利(li)用(yong)在(zai)線(xian)工(gong)具(ju)繪(hui)製(zhi)出(chu)電(dian)路(lu)框(kuang)圖(tu)，所(suo)有(you)計(ji)算(suan)即(ji)可(ke)在(zai)幾(ji)毫(hao)秒(miao)內(nei)完(wan)成(cheng)。

 

由Powerbench白板工具產生的更精確、更實際的轉換效率達93.17%（以毫秒為單位自動生成）

 

 

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

 

tongguojiangxitongshuxidecaotufuhaobaoliuzaibaibangongjushang，tianjiacanshuzidongzhazhaohejisuan，baibangongjukejinyibusuoduanshiyonggonglvyuanjianshejifangfawanchengyigeshejideshijian。

 

此外
，Vicor的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)選(xuan)擇(ze)工(gong)具(ju)還(hai)可(ke)與(yu)白(bai)板(ban)工(gong)具(ju)緊(jin)密(mi)結(jie)合(he)。因(yin)此(ci)，解(jie)決(jue)方(fang)案(an)選(xuan)擇(ze)工(gong)具(ju)推(tui)薦(jian)的(de)設(she)計(ji)可(ke)以(yi)自(zi)動(dong)將(jiang)設(she)計(ji)導(dao)入(ru)白(bai)板(ban)工(gong)具(ju)，這(zhe)樣(yang)工(gong)程(cheng)師(shi)就(jiu)不(bu)需(xu)要(yao)自(zi)己(ji)繪(hui)製(zhi)係(xi)統(tong)。這(zhe)時(shi)，工(gong)程(cheng)師(shi)可(ke)以(yi)調(tiao)整(zheng)設(she)計(ji)，以(yi)進(jin)一(yi)步(bu)滿(man)足(zu)他(ta)們(men)的(de)需(xu)求(qiu)，並(bing)快(kuai)速(su)了(le)解(jie)設(she)計(ji)的(de)效(xiao)率(lv)。

 

 

功率元件已經成為幫助工程師為當今電子係統設計複雜、高性能電源係統的一個關鍵因素。因為電源設計專家已經優化了效率、功率密度、瞬態響應、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發出一個電源係統，來滿足具有挑戰性的高性能要求。

 

在要求更好散熱性能的推動下
，近期出現了許多功率元件創新。ChiP平ping台tai提ti供gong了le采cai用yong雙shuang麵mian冷leng卻que的de強qiang於yu熱re散san熱re的de解jie決jue方fang案an
，是shi板ban上shang電dian源yuan一yi個ge很hen好hao的de範fan例li。在zai未wei來lai，其qi他ta創chuang新xin將jiang進jin一yi步bu簡jian化hua電dian源yuan係xi統tong設she計ji人ren員yuan的de任ren務wu
，特te別bie是shi在zai電dian源yuan的de前qian端duan。

 

這zhe篇pian文wen章zhang表biao明ming，功gong率lv器qi件jian設she計ji方fang法fa提ti供gong了le一yi個ge簡jian單dan的de三san步bu方fang法fa，使shi工gong程cheng師shi，即ji使shi不bu是shi電dian源yuan專zhuan家jia

，也ye可ke以yi構gou建jian能neng夠gou提ti供gong高gao效xiao率lv和he高gao功gong率lv密mi度du的de複fu雜za電dian源yuan鏈lian。通tong過guo使shi用yong在zai線xian工gong具ju，這zhe種zhong方fang法fa得de以yi進jin一yi步bu簡jian化hua。但dan是shi，不bu像xiang許xu多duo設she計ji方fang案an那na樣yang
，功gong率lv元yuan件jian設she計ji方fang法fa消xiao除chu了le來lai自zi設she計ji過guo程cheng的de痛tong苦ku和he風feng險xian，而er無wu需xu工gong程cheng師shi花hua時shi間jian學xue習xi技ji術shu。無wu需xu特te殊shu培pei訓xun，工gong程cheng師shi們men就jiu可ke以yi使shi用yong這zhe一yi方fang法fa
，縮suo短duan研yan發fa時shi間jian
，同tong時shi確que保bao優you化hua他ta們men的de下xia一yi個ge電dian源yuan鏈lian，以yi提ti供gong所suo需xu的de性xing能neng。www.vicorpower.com