【導讀】在嵌入式系統(tǒng)設計中設計電路板的電源部分時，很容易從目錄中選擇標準模塊。如今，許多供應商提供各種優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，無論是隔離磚還是非隔離負載點模塊 (POL)。
在嵌入式系統(tǒng)設計中設計電路板的電源部分時，很容易從目錄中選擇標準模塊。如今，許多供應商提供各種優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，無論是隔離磚還是非隔離負載點模塊 (POL)。
效率高、質(zhì)量和可靠性好、成本有競爭力——您還想要什么？但與往常一樣，事情并不像看起來那么簡單。盡管使用標準模塊的電源系統(tǒng)在許多情況下可能是一個很好的解決方案，但定制設計通?？梢砸愿偷某杀咎峁└玫男阅堋１疚奶接懥嗽谑褂脴藴驶蜃远x解決方案之間進行明智權衡時涉及的一些問題。
電源要求
在本次討論中，我們將考慮使用分布式電源架構的產(chǎn)品中的典型卡電源系統(tǒng)，其中每張卡的輸入電壓為 -48V。這種電源架構在電信和高端計算應用中非常常見，并在電信計算架構 (ATCA) 設備標準中進行了指定。
在大多數(shù)應用中，分布式電源系統(tǒng)中使用的每個卡必須在-48V 輸入和低壓輸出之間提供電氣隔離，以滿足安全要求。下面的表 1列出了該示例的基本要求。
表1“卡電源系統(tǒng)要求
輸入要求由應用程序設置，并且通常對于系統(tǒng)中的每張卡來說都是通用的。每張卡的其他要求都不同，以適應所使用的組件。
標準模塊解決方案
下面的圖 1 顯示了使用標準電源模塊滿足上表 1 中的電源要求的可能解決方案。在此示例中，兩個磚塊用于高功率輸出，而 POL 模塊用于其他三個輸出。這樣效率高，并且可以輕松滿足2.5V先于3.3V啟動的要求。
圖1 “使用標準模塊的卡上電源系統(tǒng)
請注意，磚塊功率輸出必須足以驅(qū)動 POL 以及直接輸出。假設 POL 的效率為 90%，則 2.5V 磚輸出必須至少為 19A（17A 直接加上 1.5V POL 的 2A）。同樣，3.3V 磚必須至少為 17A（11A 直接加上 1.2V 和 1.8V POL 的 5.7A）。
這種設計方法具有設計時間短的優(yōu)點，并且可以從多個供應商處獲得各種磚和 POL。如果需要，可以在開發(fā)過程中使用不同的模塊輕松更改輸出電壓或電流。然而，brick 和 POL 在啟動和故障期間獨立運行。
需要外部電路來滿足輸入啟動和關閉、浪涌電流限制、輸出排序和保護的系統(tǒng)規(guī)格。對于噪聲敏感的應用，可能需要將電源電路開關頻率與系統(tǒng)時鐘同步，但這不能用標準塊或 POL 來完成。每個模塊都有自己的頻率，每個供應商都不同。
由于磚塊和 POL 僅適用于特定功率級別，因此通常需要選擇輸出功率略高于卡所需的模塊。還必須正確考慮應用中所需的熱降額，每個供應商的熱降額可能有所不同，并且這使得多個來源的變得復雜。因此，并且由于需要外部電路，使用標準模塊的電源系統(tǒng)通常比定制解決方案更昂貴。
定制電源解決方案
作為標準模塊的替代方案，定制電源解決方案提供了優(yōu)化設計以準確滿足卡需求的可能性。下面的圖 2 顯示了滿足相同卡電源要求的定制電源模塊（見表 1）。該電源模塊包括所有 DC-DC 轉(zhuǎn)換和隔離功能以及排序和保護功能，取代了之前圖 1 中使用的磚塊和 POL。
圖 2 – 定制卡上電源模塊
請注意，本示例中的輸入功能不包含在定制電源模塊中。這使得 EMI 濾波可以在系統(tǒng)集成測試期間輕松優(yōu)化，而無需重新設計電源模塊，對于噪聲敏感應用來說是一種很好的方法。
在其他應用中，噪聲過濾可能不太重要，電源模塊可以包括輸入功能，如下圖 3所示。即使在這種情況下，輸入保險絲通常位于模塊外部，因為它們必須盡可能靠近卡輸入連接器放置以滿足安全要求。
圖3“完全定制的卡上電源解決方案
定制設計方法避免了功能重復，并允許優(yōu)化電源電路，以的成本滿足卡的要求。模塊設計可以保證輸出排序和故障保護，并且可以通過從單個時鐘驅(qū)動所有功率轉(zhuǎn)換級來降低開關噪聲。
此外，定制電源模塊比標準模塊需要更少的 PCB 面積，并且可以優(yōu)化物理封裝（尺寸、引腳排列、安裝、冷卻）以適應應用。然而，需要大量的設計時間和精力，因此這種方法更適合中到大批量應用。
分立電源解決方案
另一種選擇是將電源組件直接安裝在卡上，而不是使用單獨的電源模塊。可以優(yōu)化設計以準確滿足卡的需求，并且可以通過消除電源模塊 PCB 來降低材料成本。
如下圖 4所示，該框圖與圖 3 中的完整自定義模塊基本相同。但是，用于實現(xiàn)功能的組件可能會有顯著不同，因為它們必須與整個卡組裝流程兼容。
圖4“分立電源電路
例如，通常不可能像電源模塊那樣在 PCB 內(nèi)嵌入平面變壓器或功率電感器。PCB 的層數(shù)和銅厚度也可能使其不太適合用作功率半導體的散熱器。
分立電源設計方法還使測試和故障排除變得更加困難，因為輸出直接連接到卡的其余部分。過壓保護或電流限制等功能無法輕松測試，否則會冒著發(fā)生故障時卡損壞的風險，甚至輸出紋波和負載調(diào)節(jié)也不容易測量。如果出現(xiàn)故障，排除故障時必須考慮卡上其他電路可能已損壞的可能性。一般來說，這種類型的電源系統(tǒng)設計適合大批量、低成本的電路板，其中測試不那么廣泛，并且不需要故障排除和維修。
表2“標準、定制和分立電源解決方案的比較
結論
如上表 2所示，總結了每種設計方法的主要優(yōu)點（以粗體顯示）和缺點，雖然電源系統(tǒng)的選擇取決于多種因素，但一些一般性結論是明確的。
基于標準模塊的解決方案提供了良好的靈活性和短的設計時間，但可能價格昂貴。在另一個極端，分立解決方案成本，但設計、制造和測試更加困難。在許多應用中，定制電源模塊可以提供良好的平衡，具有出色的性能，并且易于制造，且成本比標準模塊更低。
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