【導(dǎo)讀】在設(shè)計模塊化 DC-DC 系統(tǒng)時，必須要考慮從電源到負(fù)載的整個供電系統(tǒng)，才能實現(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)計流程，通過這些流程，來完成電源到負(fù)載的設(shè)計案例。
此外，本系列還將介紹整個電源系統(tǒng)設(shè)計所需的 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)動專用負(fù)載（即脈沖負(fù)載）、安全與保護(hù)、均流與容錯陣列以及信號級輸入輸出的注意事項。
模塊化設(shè)計的優(yōu)勢
DC-DC 電源模塊不僅可簡化整個系統(tǒng)的設(shè)計流程，而且還可為設(shè)計人員提供三大優(yōu)勢。
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)的首要問題。提供各種各樣的模塊類型，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。
模塊化性質(zhì) ——與分立式設(shè)計不同，設(shè)計者可以利用模塊來搭建復(fù)雜的電源系統(tǒng)，利用高性能供電構(gòu)建，輕松實現(xiàn)分布式供電系統(tǒng)。如 Vicor 分比式電源架構(gòu) ™ 或較早的中間母線架構(gòu)。開發(fā)完成后，這些解決方案就很容易擴(kuò)展，滿足不同的需求和不同的功率級。另外，系統(tǒng)設(shè)計后期出現(xiàn)的需求變化不會徹底打亂項目：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，就有可能縮短開發(fā)時間，而且從設(shè)計概念的形成到最終實施的整個過程遭致的風(fēng)險都可降到最低。
設(shè)計的 4 個階段
第 1 階段：基本系統(tǒng)需求
設(shè)計電源系統(tǒng)的第一階段是確定系統(tǒng)需求。請在這個階段提出以下問題，以便為系統(tǒng)及其工作的高級定義形成概念：
● 電源從哪里來？
● 電源的特征是什么？
● 需要提供什么類型的負(fù)載？
● 什么架構(gòu)最能滿足系統(tǒng)需求？
接下來，為系統(tǒng)工作電壓、電流及功率級列表。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)載電流要求對其進(jìn)行組織安排。
開始考慮可能需要的專用功能也很有用。在以下示例中，有一個 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，而且可能會出現(xiàn)高達(dá) 200A 的峰值電流。第二個示例是 2.2V 負(fù)載，例如一款必須調(diào)整電流的 LED 驅(qū)動器。
第 2 階段：系統(tǒng)架構(gòu)
開發(fā)供電架構(gòu)，并開始選擇和最終確定滿足系統(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。對市場上提供的電源模塊進(jìn)行審查，可確定哪種類型的模塊適合提供這些負(fù)載。
用負(fù)載特征和預(yù)估效率來建立模塊需求的基本系統(tǒng)架構(gòu)。
接下來考慮系統(tǒng)的一些物理限制。這可能包括為實施系統(tǒng)提供的空間、滿足隔離需求的設(shè)計注意事項，以及能否發(fā)揮專用供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 架構(gòu)的優(yōu)勢等。如圖示，將48V總線通過分比式電源（Vicor開發(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，就可開始從負(fù)載側(cè)到電源的反向工程，使用每個負(fù)載分支的數(shù)據(jù)表效率估計值推算上游轉(zhuǎn)換模塊的電流輸出需求。通過從點(diǎn)負(fù)載到48V母線的計算，系統(tǒng)將需要從母線轉(zhuǎn)換器提供至少 9.5A 的電流，這樣就明確了對模塊的需求。
在設(shè)計時通常會面臨一些必要的調(diào)整。例如，2.2V的負(fù)載電流規(guī)格可能會加倍。而相應(yīng)的，設(shè)計者只需要將轉(zhuǎn)換模塊加倍，就可以滿足新的需求。接下調(diào)整效率預(yù)估值，和負(fù)載對上游總線轉(zhuǎn)換器的需求，就可以完成一個整體的系統(tǒng)設(shè)計圖。
第 3 階段：實施
在這個環(huán)節(jié)，系統(tǒng)集成所需的模塊配置和外部線路將會最終完成。一個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)問題：
● 設(shè)計濾波器來滿足相關(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序設(shè)計
設(shè)計工作的主要內(nèi)容就是確定以上問題。首先檢查一個外部線路的典型示例，以下是一個DC-DC模塊電源的簡化外部線路。
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工作，設(shè)計人員必須首先減少開關(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路的阻抗，以便對來自穩(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)線路，才能滿足安全要求并保護(hù)系統(tǒng)免受浪涌和尖峰電壓的損壞。最后，系統(tǒng)設(shè)計還必須考慮所有特殊負(fù)載注意事項。
第 4 階段：模塊控制與監(jiān)控
設(shè)計過程的最后一個階段是與模塊交互，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實現(xiàn)多種功能，例如輸出電壓微調(diào)。用來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，以及用來監(jiān)控模塊內(nèi)部溫度的模擬電壓腳。
而數(shù)字電源通過 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。另外針對某些特定的需求，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)字電源還可以通過故障狀態(tài)標(biāo)志為來識別欠壓，過壓，過流等故障原因。
穩(wěn)壓模塊通常提供遙感功能，其可通過補(bǔ)償配電線路阻抗壓降，在負(fù)載位置實現(xiàn)更精確的穩(wěn)壓。遙感利用兩個傳感器引線的 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)信號功能。
無論是發(fā)送模擬控制信號還是發(fā)送數(shù)字控制信號，重要的是區(qū)分信號所參考的地網(wǎng)絡(luò)。如果低功率信號級連接與模塊的功率輸出共享一個通用接地返回路徑，高頻開關(guān)噪聲可能會通過路徑上的寄生參數(shù)耦合到控制信號中，導(dǎo)致工作不穩(wěn)定。為了避免以上情況，必須將信號地單點(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)計的流程，以下系列教程將更詳細(xì)介紹設(shè)計第 3 階段的主要注意事項。
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