在設(shè)計(jì)模塊化 DC-DC 系統(tǒng)時(shí)，必須要考慮從電源到負(fù)載的整個(gè)供電系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)所需的功能和性能。本系列教程不僅將介紹模塊化 DC-DC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，通過(guò)這些流程，來(lái)完成電源到負(fù)載的設(shè)計(jì)案例。

此外，本系列還將介紹整個(gè)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的 DC-DC 模塊的整體系統(tǒng)集成及支持電路。這包括電源和去耦、濾波和穩(wěn)定性分析、輸出濾波和瞬態(tài)響應(yīng)、驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用負(fù)載（即脈沖負(fù)載）、安全與保護(hù)、均流與容錯(cuò)陣列以及信號(hào)級(jí)輸入輸出的注意事項(xiàng)。

模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

DC-DC 電源模塊不僅可簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，而且還可為設(shè)計(jì)人員提供三大優(yōu)勢(shì)。

高性能?—— DC-DC 模塊提供一種預(yù)先認(rèn)證的解決方案，其特點(diǎn)是高可靠性和高效率，這是當(dāng)前電源系統(tǒng)的首要問(wèn)題。提供各種各樣的模塊類(lèi)型，這些模塊可在功率密度、集成和效率方面提供大量的優(yōu)勢(shì)。

模塊化性質(zhì)?——與分立式設(shè)計(jì)不同，設(shè)計(jì)者可以利用模塊來(lái)搭建復(fù)雜的電源系統(tǒng)，利用高性能供電構(gòu)建，輕松實(shí)現(xiàn)分布式供電系統(tǒng)。如 Vicor 分比式電源架構(gòu) ? 或較早的中間母線(xiàn)架構(gòu)。開(kāi)發(fā)完成后，這些解決方案就很容易擴(kuò)展，滿(mǎn)足不同的需求和不同的功率級(jí)。另外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)后期出現(xiàn)的需求變化不會(huì)徹底打亂項(xiàng)目：隨著系統(tǒng)需求的不斷發(fā)展，可以替換或增加不同的模塊。

速度——有了電源模塊，就有可能縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且從設(shè)計(jì)概念的形成到最終實(shí)施的整個(gè)過(guò)程遭致的風(fēng)險(xiǎn)都可降到最低。

設(shè)計(jì)的 4 個(gè)階段

第 1 階段：基本系統(tǒng)需求

設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的第一階段是確定系統(tǒng)需求。請(qǐng)?jiān)谶@個(gè)階段提出以下問(wèn)題，以便為系統(tǒng)及其工作的高級(jí)定義形成概念：

電源從哪里來(lái)？

電源的特征是什么？

需要提供什么類(lèi)型的負(fù)載？

什么架構(gòu)最能滿(mǎn)足系統(tǒng)需求？

接下來(lái)，為系統(tǒng)工作電壓、電流及功率級(jí)列表。完成列表的方法是：列出負(fù)載并根據(jù)所需的輸出電壓和負(fù)載電流要求對(duì)其進(jìn)行組織安排。

開(kāi)始考慮可能需要的專(zhuān)用功能也很有用。在以下示例中，有一個(gè) 1.2V 的負(fù)載點(diǎn)，電流要求 120A。這一特定的負(fù)載有嚴(yán)格的穩(wěn)壓要求，而且可能會(huì)出現(xiàn)高達(dá) 200A 的峰值電流。第二個(gè)示例是 2.2V 負(fù)載，例如一款必須調(diào)整電流的 LED 驅(qū)動(dòng)器。

第 2 階段：系統(tǒng)架構(gòu)

開(kāi)發(fā)供電架構(gòu)，并開(kāi)始選擇和最終確定滿(mǎn)足系統(tǒng)轉(zhuǎn)換需求的電源模塊。繪制系統(tǒng)框圖，確定從電源為負(fù)載供電的架構(gòu)。

首先列出系統(tǒng)輸出，如圖 1 中最右側(cè)所示。負(fù)載點(diǎn)范圍可達(dá) 48V、16A。對(duì)市場(chǎng)上提供的電源模塊進(jìn)行審查，可確定哪種類(lèi)型的模塊適合提供這些負(fù)載。

用負(fù)載特征和預(yù)估效率來(lái)建立模塊需求的基本系統(tǒng)架構(gòu)。

接下來(lái)考慮系統(tǒng)的一些物理限制。這可能包括為實(shí)施系統(tǒng)提供的空間、滿(mǎn)足隔離需求的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以及能否發(fā)揮專(zhuān)用供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)等。如圖示，將48V總線(xiàn)通過(guò)分比式電源（Vicor開(kāi)發(fā)的架構(gòu)）為點(diǎn)負(fù)載供電。

部署好負(fù)載和負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器和電源模塊后，就可開(kāi)始從負(fù)載側(cè)到電源的反向工程，使用每個(gè)負(fù)載分支的數(shù)據(jù)表效率估計(jì)值推算上游轉(zhuǎn)換模塊的電流輸出需求。通過(guò)從點(diǎn)負(fù)載到48V母線(xiàn)的計(jì)算，系統(tǒng)將需要從母線(xiàn)轉(zhuǎn)換器提供至少 9.5A 的電流，這樣就明確了對(duì)模塊的需求。

在設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)面臨一些必要的調(diào)整。例如，2.2V的負(fù)載電流規(guī)格可能會(huì)加倍。而相應(yīng)的，設(shè)計(jì)者只需要將轉(zhuǎn)換模塊加倍，就可以滿(mǎn)足新的需求。接下調(diào)整效率預(yù)估值，和負(fù)載對(duì)上游總線(xiàn)轉(zhuǎn)換器的需求，就可以完成一個(gè)整體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖。

第 3 階段：實(shí)施

在這個(gè)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)集成所需的模塊配置和外部線(xiàn)路將會(huì)最終完成。一個(gè)模塊或一組模塊并不是完整的電源系統(tǒng)；跨越從電源到負(fù)載的鴻溝，需要解決許多相關(guān)問(wèn)題：

設(shè)計(jì)濾波器來(lái)滿(mǎn)足相關(guān)的EMI標(biāo)準(zhǔn)

模塊保護(hù)范圍通常很窄，僅限于保護(hù)模塊本身

電源及負(fù)載特征決定去耦需求

高可靠性應(yīng)用可能會(huì)有特殊負(fù)載或者冗余需求

與系統(tǒng)控制器的連接和電源時(shí)序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)工作的主要內(nèi)容就是確定以上問(wèn)題。首先檢查一個(gè)外部線(xiàn)路的典型示例，以下是一個(gè)DC-DC模塊電源的簡(jiǎn)化外部線(xiàn)路。

使用 DC-DC 電源模塊構(gòu)建完整系統(tǒng)所需的支持電路的示例。

從電源模塊向外展開(kāi)工作，設(shè)計(jì)人員必須首先減少開(kāi)關(guān)電源的噪聲特征，其中包括輸入端和輸出端的濾波。其次，為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要分析電源以及配電線(xiàn)路的阻抗，以便對(duì)來(lái)自穩(wěn)壓電源模塊的電源進(jìn)行適當(dāng)去耦。此外根據(jù)不同的工作環(huán)境，可能需要額外的浪涌保護(hù)線(xiàn)路，才能滿(mǎn)足安全要求并保護(hù)系統(tǒng)免受浪涌和尖峰電壓的損壞。最后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)還必須考慮所有特殊負(fù)載注意事項(xiàng)。

第 4 階段：模塊控制與監(jiān)控

設(shè)計(jì)過(guò)程的最后一個(gè)階段是與模塊交互，包括模塊的控制和監(jiān)控接口。通常模塊電源都低壓的模擬或者數(shù)字接口。

典型的模擬電源接口可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)多種功能，例如輸出電壓微調(diào)。用來(lái)連接外部控制器的使能引腳，指示電源故障狀態(tài)的監(jiān)控引腳，以及用來(lái)監(jiān)控模塊內(nèi)部溫度的模擬電壓腳。

而數(shù)字電源通過(guò) PMBus? 接口，可以提供功能更豐富的控制和監(jiān)控方式。，其可提供輸出電壓微調(diào)控制、啟用/禁用控制以及其它配置選項(xiàng)。另外針對(duì)某些特定的需求，還可以提供調(diào)節(jié)限流點(diǎn)故障保護(hù)點(diǎn)的功能。不僅如此，數(shù)字電源還可以通過(guò)故障狀態(tài)標(biāo)志為來(lái)識(shí)別欠壓，過(guò)壓，過(guò)流等故障原因。

穩(wěn)壓模塊通常提供遙感功能，其可通過(guò)補(bǔ)償配電線(xiàn)路阻抗壓降，在負(fù)載位置實(shí)現(xiàn)更精確的穩(wěn)壓。遙感利用兩個(gè)傳感器引線(xiàn)的 Kelvin 連接，直接監(jiān)控負(fù)載終端的電壓，因此控制器可抵消大電流配電系統(tǒng)中的壓降。

電源模塊的模數(shù)信號(hào)功能。

無(wú)論是發(fā)送模擬控制信號(hào)還是發(fā)送數(shù)字控制信號(hào)，重要的是區(qū)分信號(hào)所參考的地網(wǎng)絡(luò)。如果低功率信號(hào)級(jí)連接與模塊的功率輸出共享一個(gè)通用接地返回路徑，高頻開(kāi)關(guān)噪聲可能會(huì)通過(guò)路徑上的寄生參數(shù)耦合到控制信號(hào)中，導(dǎo)致工作不穩(wěn)定。為了避免以上情況，必須將信號(hào)地單點(diǎn)連接到功率地上。

總結(jié)

本文介紹了DCDC電源模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程，以下系列教程將更詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)第 3 階段的主要注意事項(xiàng)。

　　審核編輯：湯梓紅