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如何设计多重负载系统电源 在过去 10 年里,业界已经开发出多种设计工具来帮助电源设计师完成单个直流至直流电源的设计。这些工具均具备零件选择、物料成本计算、仿真及建模功能，能够简化了设 计流程、加快产品上市进程。但设计的复杂性在不断提高，一块印刷电路板上往往需要 10 个或更多的。目前市场上已出现一种全新的设计工具，能够同时配置和设计多重电源系统，而且还有助于缩小方案体积、提高系统效率以及降低系统成本。 　　设计单个电源　　在电源设计流程的最初阶段，工程师首先要确定电压与电流规格，包括最低与最高输入电压、输出电压及负载电流。 用户必须针对组件大小、效率及成本，确定整体设计目标。然后，设计师可以使用美国国家半导体 WEBENCH? 设计工具的可视化功能来获得最符合设计要求的解决方案。 　　如图 1 显示,输入为 14至22V，输出为 3.3V、1A 典型降压电源的不同解决方案。y 轴表示组件大小，x 轴表示效率，圆圈大小表示物料总成本。在此案例中，显示了一组在输入下可能获得的 50 种不同设计，而不同设计之间的性能存在很大差异。这是由于：A) 开关频率不同，B) 设备有同步与异步开关之分，C) 控制器设备有外置 FET 与集成 FET 之分。图标方式有助于设计师获得符合目标的最优解决方案。 　　　图1：一组在特定输入下方案大小、效率及物料成本之间进行权衡后50种不同的电源解决方案 　　Footprint 方案大小 　　BOM Cost 物料清单成本 　　Efficiency 效率 　　系统级设计　　如果采用此单个电源设计方法并将其应用至整个系统，则可行的设计方法数量就会大幅增加。如图2显示,具有FPGA、内存、通信及马达控制元素的系统板。 　　图 2：单个系统板中的多重直流负载示例。此示例需要多重电源解决方案。 　　Power Supply ProtecTIon 电源与保护 　　Many loads, Many Supplies 多负载、多电源 　　Core Supply 核心电源 　　FPGA IO FPGA IO 　　Vcca Vcca 　　Flash 闪存 　　SDRAM SDRAM 　　CCD CCD 　　PLL PLL 　　Motor Control 马达控制 　　Miscellaneous 其它 　　9 Loads and 5 Voltages 9 个负载和 5 种电压 　　本系统具有48V输入和9个负载。设计的第一项任务是将电压分组在一起，因此我们共有五种电压。继而，设计师需要确定所需的架构，包括是否需要在源电源与负载点电源之间放置一个或多个中间电压轨。这种情况如图3中所示。 　　中间电压轨可通过将不同电源的工作周期限制为最佳范围来提高效率，从而提高系统性能。它还可以通过下列方式来减少成本和方案大小：将高压组件限制为中间电源，同时允许下游电源使用低压组件，而低压组件通常价格更便宜且体积更小，尤其是在使用陶瓷器时，更是如此。确定电压轨架构后，设计师需要优化电源以减小方案大小、提高效率及/或降低成本。 　　　图 3是1个12伏特中间电压轨电源和4个负载点电源组成的典型电源系统架构。上图同时也是每个电源的最优解决方案图表，其中包括大量需要考虑的选项。 　　Intermediate Rail (12V) 中间电压轨 (12V) 　　Supply 2 (1.25V) 电源 2 (1.25V) 　　Supply 3 (3.3V) 电源 3 (3.3V) 　　Supply 4 (1.8V) 电源 4 (1.8V) 　　Suppl y 5 (2.5V) 电源 5 (2.5V) 　　Loads 负载 　　采用此方法带来多种可能性。例如，如果有5个不同的电压轨架构和5个不同的电源，而每个电源又有50个可能的电源解决方案，则设计师现在需要考 虑1250个选项。再加上5种不同的效率、方案大小和成本优化解决方案，则需要审阅的解决方案总数将增加至6250个。因此，关键是要缩小选择范围，并使 用可视化工具来生成符合设计目标的最佳解决方案。图4 显示了通过WEBENCH Power Architect工具生成的不同系统级设计的图表。图表中的每个圆圈面积均代表不同的架构/电压轨配置，以及方案大小、物料成本或效率的不同优化解决方 案。正如图中所示，不同解决方案之间的差异非常大。 y 5 (2.5V) 电源 5 (2.5V) 由9个负载电源成系统的25个系统解决方案图表。图中的颜色代表不同的优化解决方案，每个解决方案分别着重于减小系统方案大小、降低系统物料成本或提高系统效率。 　　System BOM Cost 系统物料成本