【導讀】隨著行業對盡可能減少和消除浪費的重視，係統設計師有責任優化整體電源架構。每個電子設備都有一個供電網絡 (PDN)，通常包括但不限於線纜
、母線排、連接器、電路板銅箔電源層
、 AC - DC 和 DC - DC 轉換器及穩壓器。該網絡中的每個組件都會影響設計功能的好壞，因為它將遇到線路
、負載和環境的變化。

過guo去qu
，電dian源yuan架jia構gou一yi直zhi在zai產chan品pin開kai發fa的de後hou期qi階jie段duan確que定ding
，這zhe時shi候hou空kong間jian和he選xuan項xiang已yi經jing受shou限xian。將jiang架jia構gou設she計ji安an排pai在zai該gai流liu程cheng早zao期qi階jie段duan的de更geng積ji極ji主zhu動dong的de方fang法fa，有you助zhu於yu創chuang建jian更geng穩wen健jian的de係xi統tong，可ke在zai開kai發fa過guo程cheng中zhong適shi應ying不bu斷duan變bian化hua的de設she計ji規gui格ge。

電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)經(jing)常(chang)關(guan)注(zhu)轉(zhuan)換(huan)

，以(yi)便(bian)最(zui)大(da)限(xian)度(du)提(ti)高(gao)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)並(bing)最(zui)大(da)限(xian)度(du)降(jiang)低(di)功(gong)耗(hao)。主(zhu)要(yao)驅(qu)動(dong)因(yin)素(su)是(shi)熱(re)管(guan)理(li)，因(yin)為(wei)轉(zhuan)換(huan)階(jie)段(duan)通(tong)常(chang)是(shi)熱(re)負(fu)荷(he)的(de)最(zui)大(da)來(lai)源(yuan)之(zhi)一(yi)。高(gao)功(gong)耗(hao)需(xu)要(yao)更(geng)複(fu)雜(za)、更廣泛的散熱方法，這都將增加成本和尺寸，特別是惡劣環境下的應用。

耗散功率是輸入功率和輸出功率之間的差值。一種是通過將電源轉換器的額定功率除以其十進製等效效率來確定電源轉換器的耗散功率：一個額定功率為 100W、效率為 80% 的轉換器，將具有 125W 的輸入功率和 25W 的de耗hao散san功gong率lv。必bi須xu以yi這zhe種zhong方fang式shi考kao慮lv係xi統tong中zhong的de每mei個ge元yuan件jian
，以yi確que定ding係xi統tong的de總zong損sun耗hao，這zhe一yi點dian至zhi關guan重zhong要yao。提ti高gao效xiao率lv，即ji使shi提ti高gao一yi點dian點dian，也ye能neng顯xian著zhu降jiang低di損sun耗hao。例li如ru，效xiao率lv提ti高gao 10 個百分點（在本示例中
，提高到 90%），可能看起來並不多，但這會將功耗降低一半以上：從 25W 降至 11.1W。

這zhe種zhong效xiao率lv的de提ti高gao對dui供gong電dian網wang絡luo有you何he影ying響xiang？除chu了le降jiang低di轉zhuan換huan器qi的de熱re影ying響xiang外wai
，還hai會hui減jian少shao對dui輸shu入ru電dian源yuan的de需xu求qiu，需xu要yao提ti供gong的de電dian源yuan更geng少shao。此ci外wai，這zhe種zhong較jiao低di的de功gong耗hao還hai意yi味wei著zhe：給定輸入電壓時
，電源電流也更低。按照歐姆定律
，可將功耗看成電壓和電流的乘積，以及電阻和電流平方的乘積（P = VI = I2R）。在zai供gong電dian網wang絡luo的de分fen析xi中zhong

，電dian阻zu經jing常chang被bei忽hu略lve。從cong電dian源yuan到dao負fu載zai的de所suo有you路lu徑jing都dou有you固gu定ding的de電dian阻zu。它ta們men都dou與yu總zong係xi統tong的de功gong耗hao有you關guan。此ci外wai，還hai必bi須xu考kao慮lv安an全quan及ji穩wen定ding性xing組zu件jian，這zhe些xie組zu件jian是shi整zheng體ti功gong耗hao的de主zhu要yao來lai源yuan，其qi中zhong包bao括kuo保bao險xian絲si、斷(duan)路(lu)器(qi)以(yi)及(ji)用(yong)於(yu)減(jian)少(shao)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)並(bing)讓(rang)電(dian)壓(ya)平(ping)穩(wen)的(de)濾(lv)波(bo)器(qi)。在(zai)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)元(yuan)件(jian)中(zhong)，都(dou)有(you)一(yi)個(ge)壓(ya)降(jiang)損(sun)失(shi)，會(hui)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)
，並(bing)在(zai)係(xi)統(tong)內(nei)產(chan)生(sheng)其(qi)它(ta)問(wen)題(ti)。

如 CPU
、脈衝負載或電機等功率波動較大的終端設備（供電網絡供電的設備）將導致轉換器輸入輸出的電壓出現顯著變化。一般而言，轉換器遇到的電源阻抗應該比轉換器呈現的最低阻抗小 10 倍。

回到效率為 90% 的 100W 轉換器示例中，假設該器件的工作輸入範圍是 18 至 36V。輸入為 18V 時
，轉換器的輸出電流約為 6.2A。因此
，轉換器的輸入阻抗 (R) 為 V/I 或 18/6.2 = 2.9Ω。36V 時，輸入電流為一半
，因此阻抗是 11.7Ω。在轉換器的輸入阻抗最低時，根據經驗
，確保穩定工作的電源阻抗不應該超過 0.29Ω。

圖 1:  一個 12V 低壓 PDN 為 5 個獨立負載供電。在本示例中，負載為低電壓（不足 5VDC），在這些負載和轉換器之間流動的電流較大（由粗線跡顯示）。

需xu要yao注zhu意yi的de是shi
，在zai設she計ji電dian源yuan係xi統tong時shi，係xi統tong穩wen定ding性xing很hen重zhong要yao。這zhe種zhong簡jian單dan的de電dian阻zu討tao論lun沒mei有you考kao慮lv到dao電dian阻zu元yuan件jian，例li如ru電dian容rong和he電dian感gan，如ru果guo理li解jie不bu好hao
，這zhe些xie電dian阻zu元yuan件jian可ke能neng的de確que會hui引yin起qi共gong振zhen及ji其qi它ta問wen題ti，這zhe是shi顯xian而er易yi見jian的de。本ben文wen不bu討tao論lun這zhe些xie主zhu題ti。

如何優化與係統功耗息息相關的 PDN
？

無論是分析現有的設計，還是從頭創建一個新的架構，方法都一樣。

圖 2:  改進的 PDN
，電源電壓從 12VDC 提高到 48VDC。這 5 個獨立負載的電流要求與第一個示例所示的一樣。由於較高的電源電壓
，從電池流到轉換的電流較低（用細線跡表示）。

首先：盡管聽起來可能很明顯，但也請使用所提供的最高效轉換器。分兩部分考慮 PDN：從實際應用負載到第一個轉換（包括所有中間轉換）的輸出
，以及從電源到第一個轉換的輸入。

應用負載將具有預先確定的最小電壓要求。現代電子係統的電流需求可能很高，在某些情況下
，在不足 1V 的電壓下，可能會超過 1000A。為了將這些應用中的損耗降到最低，負載點 (PoL) 轉換器一般布置在用電負載附近。

PoL 避免了轉換器和負載之間很長的布線距離，這是常規電源的特征，而且提供精確電壓電源，滿足低電壓/大電流的需求。PoL 應該盡可能靠近其供電負載的物理位置，以盡量減少互連電阻。

向輸入方向靠近時，PoL 輸入電壓應盡可能高。考慮一個為 5 個獨立負載供電的 12V 低電壓 PDN。在本示例中，負載為低電壓（不足 5VDC），在這些負載和轉換器之間流動的電流較大。

這樣的設置可以是傳統的計算機電源
、車載電源係統，也可以是無人機有效載荷。PoL輸入端存在固定的路勁電阻，將帶來給定工作功率等級下的特定功耗。如果我們能在相同的功率下將電壓提高 4 倍（即 48V）
，這條線路上流過的電流現在就是之前的四分之一。由於功率方程式中有電流的平方項，因此新功耗會顯著減少，電壓偏差也會降低。

此外，48V 是良好的配電電壓
，因為它也在安全超低電壓 (SELV) 的限製範圍內， IEC 將其定義為具有低觸電風險。對於現有應用而言，提高電壓需要不同的 PoL。在這裏，使用封裝尺寸相同器件的模塊化方法將是一項輕鬆的轉換

，因為轉換器將是直接替換件。

示例：係留無人機供電網絡

圖 3:  上麵是針對要求 500W 功率的機載工具，在每個係線導體中的不同電源電壓下，比較電流

、壓降和功耗降低情況。下麵是從地麵電源至機載工具的優化係留無人機 PDN。係線內使用的 800V 電壓可最大限度減少無人機工作造成的重要傳輸損耗和電壓變化。電流明顯低於使用較低電源電壓的電流
，因此轉而采用 800V 還有進一步的優勢：允許使用更小規格的導體，可能會減少係線風偏和重量。

考慮係留無人機或無人機的一個更為極端的示例，具體來說
，電源到第一次轉換的影響。係線代表地麵電源間的接口。

假設無人機係線長 100 英尺並包含 24A-WG 導線
，每根導線的電阻約為 2.5Ω/100 英尺。在 48-V 配電時，該係線的電流約為 10A；100 英尺雙向電阻是 5Ω，因此係線的功耗為 500W！顯然，該無人機根本無法起飛，因為係線會耗盡所有電源，該飛行器無任何動力。

現在考慮使用更高的輸入電壓。假設 400V 係統與上述條件相同。

400V 配電時，係線電流會下降至約 1.25A，而且係線功耗僅為大約 8W。將輸入增加一倍至 800V，會將係線電流降低至約 0.6A，從而可將係線功耗降低至約 2W。較低的抽電流有助於使用更小規格的係線導體
，從而不僅可減少阻力和風偏
，同時還可降低無人機對電力的需求。

功耗很重要
，但係線末端的穩壓也很重要。無人機上的穩壓器會有一個定義好的輸入電壓範圍。係線電阻有壓降。鑒於 24A-WG 100 英尺的係線以及其 5-Ω 往返電阻，每安培電流有 5V 的壓降。此外

，減少係線上的壓降


，也可降低壓降與所用電壓的比率
，從而可進一步改善穩壓：如果電壓翻倍、電流減半，係線上的壓降也會減半，而且係線壓降與負載電壓的比率則為四分之一。

顯然，將地麵電源增加至 800V，是優化通過係線傳輸電力的途徑。但無人機必須將這 800V 的電壓降壓轉換為低電壓
，才能為其電機和電子設備供電。對於 PDN 的這一部分，機載電子設備的 48V 最有意義，原因如前所述。

綜上所述，優化 PDN 的路徑可以歸納為 6 個步驟：

01 先考慮電源。一旦有了最初的電源需求，就得為模塊化電源設計預留空間。模塊化方法不僅靈活，而且擴展也很便捷。

02 請注意電流路徑中的每個元件。

03 使用允許的最高電壓
，減少所需的電流。

04 使用最高效的轉換元件降低轉換損耗。

05 使用最高功率密度的器件，以便接近負載布置。

06 盡量減少互連電阻，這不僅可降低壓降
，而且還可降低功耗。

來源：Vicor

作者：Jeff Ham  

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