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设计高性能电源系统设计完整 AC-DC 系统的快速低风险方法

2016 年 3 月 17 日Paul Yeaman —应用工程设计总监

Vicor 电源组件

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时间的重要性

› 电源系统的设计时间是固定的；这个时间可以在多种资源间分配（使用的时间越少，需要的成本越高），也可以合并为统一资源（花费的时间较长）

› 不花成本缩短时间，会增大风险（比如走捷径）

› 如果风险未能得到合理解决，风险增大就会导致时间浪费

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电源系统很复杂

› 复杂的来源加上复杂的负载，会导致极高的电源系统复杂性

› 许多设计步骤都需要大量的时间

– 系统设计

– 设计验证

– 系统验证

– 安全认证

› 输入源要求– 工作范围

› 对线路的电源要求

– 电压浪涌／压降

› 钳位与保持

› 关闭与通过

– EMI 滤波

– 熔断／保护

› 是否需要电池备份？

› 负阻抗（下游稳压器）

› 是电容电源加载，还是脉冲电源加载？

› 所需的峰值功率与平均功率

› 遥测– 要求

– 协议

› 负载– 是单电压设定点，还是可微调？

– 隔离还是非隔离

– 是否需要负电压？

– 是电压调整，还是电流调整

– 瞬态要求

› 响应时间

› 最大下冲／过冲

– 负载保护要求

– 稳态与峰值功率／电流要求

– 输出电压纹波与噪声

– 启动与定序

› 散热– 是传导散热，还是风扇散热？

– 最大环境温度

– 效率；最大功率耗散

› 专业认证／标准

› ……

电源系统考量实例

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有风险，是不可取的

› 无论是走捷径，还是跳过步骤，都是不能接受的

› 在不增加时间的情况下设计最低风险的复杂系统，困难重重

满足所有系统考量和要求 需要更多时间设计

系统达到性能目标 需要更多时间分析

系统投入工作 需要更多时间认证

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降低电源系统设计风险的常规方法

› 将其分为两个部分：– 前端（电源）– 负载点 (POL)

› 细化考量点，降低复杂性› 引入并行处理，节省时间

› 输入源要求

› 是否需要电池备份？

› 负阻抗（下游稳压器）

› 是电容电源加载，还是脉冲电源加载？

› 所需的峰值功率与平均功率

› 遥测

› 散热

› 专业认证／标准

› 负载

› 遥测

› 散热

› 专业认证／标准

前端 负载点› 输入源要求

› 是否需要电池备份？

› 负阻抗（下游稳压器）

› 是电容电源加载，还是脉冲电源加载？

› 所需的峰值功率与平均功率

› 遥测

› 负载

› 散热

› 专业认证／标准

› ……

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但是……

› 会增加设计系统所需的资源

› 系统分区会成为障碍

– 不同制造商

– 不同设计人员

› 引入新的接口点，会增加复杂性

› 仍然不能缩短获得安全认证所需的时间

› 会重复进行某些考量

› 仍需支付降低风险的成本

必须构建分区间的接口

重复进行的设计考量

› 输入源要求

› 是否需要电池备份？

› 负阻抗（下游稳压器）

› 是电容电源加载，还是脉冲电源加载？

› 所需峰值功率与平均功率

› 遥测

› 散热

› 专业认证／标准

› 负载

› 遥测

› 散热

› 专业认证／标准

前端 负载点

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要求

› 在不增大风险或成本的情况下节省时间

– 典型的系统原型设计时间为 6 周

– 典型的系统设计时间为 6-9 个月（仅安全认证就需 2-3 个月）

› 在不增加冗余的情况下降低复杂性

› 能够以更少（不是更多）的资源设计电源系统

让电源系统设计成为共赢的过程，而不是权衡取舍的过程

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电源组件设计方法 (PCDM)

业经验证的方法带来消耗资源少、风险低的及时高性能电源系统设计

实现完整系统设计的

组件（或产品）

可便捷应用它们的工具

可确保立即获得成功的

支持

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电源组件设计方法—如何让它发挥作用？

› 电源系统分为两个部分：前端和负载点

› 使用电源组件（专门针对电源转换功能优化的模块化电源转换器）实施前端及负载点功能

› 这些组件经过精心构建，可彼此进行接口连接，从而可为系统设计带来无限的灵活性

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电源组件方法总结

前端Vicor 电源系统

负载点Vicor 电源组件

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Vicor电源系统：前端模块

VIA PFM AC 前端› 85 至 264 VAC-IN

› VOUT = 48 V

› 功率 = 400 W

BCM 隔离式固定比率DC-DC 转换器› 400、380、350、270、48V 额定输入电压

› VOUT = 3 至 50V

› 功率 = 每个模块高达 1.75KW

DCM 隔离式 DC-DC 转换器› 300 V 和 28V 额定输入电压

› VOUT = 48、28、24、13.8、12 和 5V

› 功率 = 每个模块高达 600W

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Vicor电源组件：负载点解决方案

Cool-Power ZVS 降压稳压器› 业界一流的密度和效率› 额定输入电压为 12V、24V 和 48V 的降压稳压器

› 采用 LGA 和 ChiP 封装

Cool-Power ZVS 升降压稳压器› 超过 98% 的效率› 额定输入电压为 24V 和 48V 的升降压稳压器› 通用版本和 VTM 兼容版本› 采用 LGA 和 ChiP 封装

VI Chip PRM ZVS 升降压稳压器› 稳压、非隔离、降压-升压工作› 24、28、36、48VIN

› 效率高达 98%› 采用半砖／全砖 VI Chip 封装，功率高达 250／600W（可并联）

VI Chip VTM ZVS/ZCS 电流倍增器› 大电流供电的固定比率解决方案› 能够与 PRM 和 ZVS 升降压产品联用，实现完整的稳压 DC-DC 转换器

› 采用 VI Chip 和 ChiP封装

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电源组件设计方法的优势

› 产品

– 在前端和负载点转换功能之间提供业经验证的接口，以降低风险

– 提供电源转换构建块，可降低复杂性

› 使用现成的功率级，无需设计功率级

› 每个构建块都有专业认证，可促进整个电源系统的认证

› 工具

› 支持

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问题：如何使用电源组件设计方法

› 掌握 Vicor 提供的所有选项需要大量的工作

– 数千种产品

– 数十个产品线

– 大量术语和三字母缩写

– 不断壮大的产品解决方案

› 如果要花根本没有那么多的大量时间来确定系统选项，节省系统设计时间就不是一个选项。

› 要让 PCDM 实用，不仅需要产品，而且还需要工具

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电源系统设计人员：设计电源系统的工具

› 使用 PCDM 生成电源系统的网络工具

› 有助于用户根据其需要查看电源系统选项并从 Vicor 产品中选出最佳解决方案。

› 允许用户评估每个选项的主要特性

– 系统效率

– 电源占位面积

– 成本

– 组件数

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电源系统设计人员：节省时间

› 不必仔细查看 Vicor 数十种产品的产品说明书

› 无需掌握有关 Vicor 拓扑、架构或众多 TLA 的专业知识

› 完成数百次运算、拖拽数千个数据点、绘制完整的方框图，几秒钟就能搞定。

› 提供按比例绘制的完整系统图，无需查看机械图纸，也无需创建CAD 文件。

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电源系统设计人员：降低风险

› 使用业经验证的组件（在构建上确保了协调工作）配置创建系统

› 系统根据用户录入的需求创建，可避免不正确解读产品说明书或设计所带来的风险

› 可提前知道系统的关键性能和机械属性

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支持：节省时间，降低风险

› 用于物理评估完整电源系统的开发套件– 在启动单板布局前为系统加电

– 在启动设计周期前验证电源系统性能

› FAE 支持– 在熟悉您的电源系统的专家看到您的系统之前，提前与他们交流

– 获得有关您设计的有效反馈，无需非常麻烦地告诉专家有关您设计的详细情况

› 样品提供情况– 快速接收样品，迅速为您的系统设计原型

– 使用模块而非分立器件，可缩短原型设计时间

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电源组件方法：节省时间，降低风险

› 产品– 完整的电源转换组件—并非分立器件

– 在大规模生产中验证核实，在其它地方广泛使用，并非新品

– 适当的安全认证

› 工具– 不必成为所有产品解决方案的专家，即可设计系统

– 几分钟内找到最佳解决方案，无需几天

– 知道您已挑选有效的解决方案，不会遭遇错误解读

› 支持– 使用开发套件物理评估您的完整系统

– 咨询熟悉您系统的专家，即便此前他们从未看到过您的系统也没关系

使用电源组件方法，将风险和设计时间缩减 50%

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谢谢大家！