【導(dǎo)讀】隨著行業(yè)對盡可能減少和消除浪費(fèi)的重視,系統(tǒng)設(shè)計(jì)師有責(zé)任優(yōu)化整體電源架構(gòu)。每個(gè)電子設(shè)備都有一個(gè)供電網(wǎng)絡(luò) (PDN),通常包括但不限于線纜、母線排、連接器、電路板銅箔電源層、 AC - DC 和 DC - DC 轉(zhuǎn)換器及穩(wěn)壓器。該網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)組件都會影響設(shè)計(jì)功能的好壞,因?yàn)樗鼘⒂龅骄€路、負(fù)載和環(huán)境的變化。
過去,電源架構(gòu)一直在產(chǎn)品開發(fā)的后期階段確定,這時(shí)候空間和選項(xiàng)已經(jīng)受限。將架構(gòu)設(shè)計(jì)安排在該流程早期階段的更積極主動的方法,有助于創(chuàng)建更穩(wěn)健的系統(tǒng),可在開發(fā)過程中適應(yīng)不斷變化的設(shè)計(jì)規(guī)格。
電源設(shè)計(jì)人員經(jīng)常關(guān)注轉(zhuǎn)換,以便最大限度提高轉(zhuǎn)換效率并最大限度降低功耗。主要驅(qū)動因素是熱管理,因?yàn)檗D(zhuǎn)換階段通常是熱負(fù)荷的最大來源之一。高功耗需要更復(fù)雜、更廣泛的散熱方法,這都將增加成本和尺寸,特別是惡劣環(huán)境下的應(yīng)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(zhuǎn)換器的額定功率除以其十進(jìn)制等效效率來確定電源轉(zhuǎn)換器的耗散功率:一個(gè)額定功率為 100W、效率為 80% 的轉(zhuǎn)換器,將具有 125W 的輸入功率和 25W 的耗散功率。必須以這種方式考慮系統(tǒng)中的每個(gè)元件,以確定系統(tǒng)的總損耗,這一點(diǎn)至關(guān)重要。提高效率,即使提高一點(diǎn)點(diǎn),也能顯著降低損耗。例如,效率提高 10 個(gè)百分點(diǎn)(在本示例中,提高到 90%),可能看起來并不多,但這會將功耗降低一半以上:從 25W 降至 11.1W。
這種效率的提高對供電網(wǎng)絡(luò)有何影響?除了降低轉(zhuǎn)換器的熱影響外,還會減少對輸入電源的需求,需要提供的電源更少。此外,這種較低的功耗還意味著:給定輸入電壓時(shí),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)。在供電網(wǎng)絡(luò)的分析中,電阻經(jīng)常被忽略。從電源到負(fù)載的所有路徑都有固定的電阻。它們都與總系統(tǒng)的功耗有關(guān)。此外,還必須考慮安全及穩(wěn)定性組件,這些組件是整體功耗的主要來源,其中包括保險(xiǎn)絲、斷路器以及用于減少電磁干擾并讓電壓平穩(wěn)的濾波器。在所有這些元件中,都有一個(gè)壓降損失,會降低開關(guān)穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性,并在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生其它問題。
如 CPU、脈沖負(fù)載或電機(jī)等功率波動較大的終端設(shè)備(供電網(wǎng)絡(luò)供電的設(shè)備)將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器輸入輸出的電壓出現(xiàn)顯著變化。一般而言,轉(zhuǎn)換器遇到的電源阻抗應(yīng)該比轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)的最低阻抗小 10 倍。
回到效率為 90% 的 100W 轉(zhuǎn)換器示例中,假設(shè)該器件的工作輸入范圍是 18 至 36V。輸入為 18V 時(shí),轉(zhuǎn)換器的輸出電流約為 6.2A。因此,轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗 (R) 為 V/I 或 18/6.2 = 2.9Ω。36V 時(shí),輸入電流為一半,因此阻抗是 11.7Ω。在轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗最低時(shí),根據(jù)經(jīng)驗(yàn),確保穩(wěn)定工作的電源阻抗不應(yīng)該超過 0.29Ω。
圖 1: 一個(gè) 12V 低壓 PDN 為 5 個(gè)獨(dú)立負(fù)載供電。在本示例中,負(fù)載為低電壓(不足 5VDC),在這些負(fù)載和轉(zhuǎn)換器之間流動的電流較大(由粗線跡顯示)。
需要注意的是,在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)定性很重要。這種簡單的電阻討論沒有考慮到電阻元件,例如電容和電感,如果理解不好,這些電阻元件可能的確會引起共振及其它問題,這是顯而易見的。本文不討論這些主題。
如何優(yōu)化與系統(tǒng)功耗息息相關(guān)的 PDN?
無論是分析現(xiàn)有的設(shè)計(jì),還是從頭創(chuàng)建一個(gè)新的架構(gòu),方法都一樣。
圖 2: 改進(jìn)的 PDN,電源電壓從 12VDC 提高到 48VDC。這 5 個(gè)獨(dú)立負(fù)載的電流要求與第一個(gè)示例所示的一樣。由于較高的電源電壓,從電池流到轉(zhuǎn)換的電流較低(用細(xì)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(zhuǎn)換器。分兩部分考慮 PDN:從實(shí)際應(yīng)用負(fù)載到第一個(gè)轉(zhuǎn)換(包括所有中間轉(zhuǎn)換)的輸出,以及從電源到第一個(gè)轉(zhuǎn)換的輸入。
應(yīng)用負(fù)載將具有預(yù)先確定的最小電壓要求?,F(xiàn)代電子系統(tǒng)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(yīng)用中的損耗降到最低,負(fù)載點(diǎn) (PoL) 轉(zhuǎn)換器一般布置在用電負(fù)載附近。
PoL 避免了轉(zhuǎn)換器和負(fù)載之間很長的布線距離,這是常規(guī)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(yīng)該盡可能靠近其供電負(fù)載的物理位置,以盡量減少互連電阻。
向輸入方向靠近時(shí),PoL 輸入電壓應(yīng)盡可能高??紤]一個(gè)為 5 個(gè)獨(dú)立負(fù)載供電的 12V 低電壓 PDN。在本示例中,負(fù)載為低電壓(不足 5VDC),在這些負(fù)載和轉(zhuǎn)換器之間流動的電流較大。
這樣的設(shè)置可以是傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)電源、車載電源系統(tǒng),也可以是無人機(jī)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(xiàn)在就是之前的四分之一。由于功率方程式中有電流的平方項(xiàng),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?yàn)樗苍诎踩碗妷?(SELV) 的限制范圍內(nèi), IEC 將其定義為具有低觸電風(fēng)險(xiǎn)。對于現(xiàn)有應(yīng)用而言,提高電壓需要不同的 PoL。在這里,使用封裝尺寸相同器件的模塊化方法將是一項(xiàng)輕松的轉(zhuǎn)換,因?yàn)檗D(zhuǎn)換器將是直接替換件。
示例:系留無人機(jī)供電網(wǎng)絡(luò)
圖 3: 上面是針對要求 500W 功率的機(jī)載工具,在每個(gè)系線導(dǎo)體中的不同電源電壓下,比較電流、壓降和功耗降低情況。下面是從地面電源至機(jī)載工具的優(yōu)化系留無人機(jī) PDN。系線內(nèi)使用的 800V 電壓可最大限度減少無人機(jī)工作造成的重要傳輸損耗和電壓變化。電流明顯低于使用較低電源電壓的電流,因此轉(zhuǎn)而采用 800V 還有進(jìn)一步的優(yōu)勢:允許使用更小規(guī)格的導(dǎo)體,可能會減少系線風(fēng)偏和重量。
考慮系留無人機(jī)或無人機(jī)的一個(gè)更為極端的示例,具體來說,電源到第一次轉(zhuǎn)換的影響。系線代表地面電源間的接口。
假設(shè)無人機(jī)系線長 100 英尺并包含 24A-WG 導(dǎo)線,每根導(dǎo)線的電阻約為 2.5Ω/100 英尺。在 48-V 配電時(shí),該系線的電流約為 10A;100 英尺雙向電阻是 5Ω,因此系線的功耗為 500W!顯然,該無人機(jī)根本無法起飛,因?yàn)橄稻€會耗盡所有電源,該飛行器無任何動力。
現(xiàn)在考慮使用更高的輸入電壓。假設(shè) 400V 系統(tǒng)與上述條件相同。
400V 配電時(shí),系線電流會下降至約 1.25A,而且系線功耗僅為大約 8W。將輸入增加一倍至 800V,會將系線電流降低至約 0.6A,從而可將系線功耗降低至約 2W。較低的抽電流有助于使用更小規(guī)格的系線導(dǎo)體,從而不僅可減少阻力和風(fēng)偏,同時(shí)還可降低無人機(jī)對電力的需求。
功耗很重要,但系線末端的穩(wěn)壓也很重要。無人機(jī)上的穩(wěn)壓器會有一個(gè)定義好的輸入電壓范圍。系線電阻有壓降。鑒于 24A-WG 100 英尺的系線以及其 5-Ω 往返電阻,每安培電流有 5V 的壓降。此外,減少系線上的壓降,也可降低壓降與所用電壓的比率,從而可進(jìn)一步改善穩(wěn)壓:如果電壓翻倍、電流減半,系線上的壓降也會減半,而且系線壓降與負(fù)載電壓的比率則為四分之一。
顯然,將地面電源增加至 800V,是優(yōu)化通過系線傳輸電力的途徑。但無人機(jī)必須將這 800V 的電壓降壓轉(zhuǎn)換為低電壓,才能為其電機(jī)和電子設(shè)備供電。對于 PDN 的這一部分,機(jī)載電子設(shè)備的 48V 最有意義,原因如前所述。
綜上所述,優(yōu)化 PDN 的路徑可以歸納為 6 個(gè)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(shè)計(jì)預(yù)留空間。模塊化方法不僅靈活,而且擴(kuò)展也很便捷。
02 請注意電流路徑中的每個(gè)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(zhuǎn)換元件降低轉(zhuǎn)換損耗。
05 使用最高功率密度的器件,以便接近負(fù)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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