DC-DC 系統(tǒng)級(jí)電源設(shè)計(jì)

作者：駿龍科技

本文旨在幫助大家更好地建立對(duì) DC-DC 電源系統(tǒng)的完整認(rèn)知。從項(xiàng)目的實(shí)際需求出發(fā)，選擇適合自身的解決方案，在項(xiàng)目計(jì)劃時(shí)間內(nèi)，設(shè)計(jì)出性能符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的電源系統(tǒng)。

電源系統(tǒng)的重要性

一個(gè)良好的電源系統(tǒng)可以充分發(fā)揮各個(gè)硬件部分最基本的功能，讓硬件系統(tǒng)安全穩(wěn)定地工作。只有硬件系統(tǒng)安全穩(wěn)定且可靠地運(yùn)行，基于硬件的各種性能才能充分被利用，而各種應(yīng)用軟件也能正常安穩(wěn)運(yùn)行。下圖 (圖1) 為 ADI 信號(hào)鏈系統(tǒng)電源評(píng)估套件：

圖1 ADI 信號(hào)鏈系統(tǒng)電源評(píng)估套件

電源系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景與性能需求

根據(jù)不同的設(shè)備和應(yīng)用場(chǎng)景，工程師對(duì)電源系統(tǒng)的需求也會(huì)有所不同。如下表 (表1) 所示：

表1 電源系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景與性能需求

把上述性能需求整合到一起，相信是不少工程師對(duì)電源系統(tǒng)的理想追求。然而，在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，沒(méi)有極至完美的器件、理論和解決方案，電源產(chǎn)品有其性能邊界。

性能合格的電源

一個(gè)性能合格的電源需要滿足以下幾個(gè)條件：

在正常輸入電壓條件下能正常啟動(dòng)

啟動(dòng)是一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題，也是一個(gè)我們經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題狀態(tài)。我們需要滿足在正常輸入電壓條件下可以正常啟動(dòng)，并考慮啟動(dòng)過(guò)程是否需要帶負(fù)載。

符合輸出電壓精度需求

輸出電壓精度需求包含穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)，穩(wěn)態(tài)指的是電源穩(wěn)定帶一個(gè)確定負(fù)載的輸出狀態(tài)，而動(dòng)態(tài)指的是后級(jí)設(shè)備有負(fù)載跳變的狀態(tài)。

穩(wěn)態(tài)需要保證正常的電壓精度和紋波；動(dòng)態(tài)最基本的保障是：負(fù)載切換過(guò)程中不會(huì)造成后級(jí)負(fù)載過(guò)壓、欠壓。而后級(jí)負(fù)載切換過(guò)程中，輸出電壓跳變理論上越小越好。優(yōu)秀的設(shè)計(jì)要做到滿足技術(shù)需求。

符合輸出電流性能

輸出電流需要可以支持啟動(dòng)狀態(tài)、穩(wěn)定工作狀態(tài)、以及動(dòng)態(tài)負(fù)荷。

整個(gè)電源運(yùn)作的溫升和高轉(zhuǎn)換效率

對(duì)于電池供電的設(shè)備，很多狀態(tài)下需要優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)換效率。因?yàn)楦咿D(zhuǎn)換效率可以提高系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間，長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間可以直接轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的實(shí)際價(jià)值。

對(duì)于小體積設(shè)備，很多時(shí)候我們也需要優(yōu)先考慮電源轉(zhuǎn)換效率，因?yàn)殡娫崔D(zhuǎn)換效率直接影響到系統(tǒng)的發(fā)熱量，而發(fā)熱量又直接關(guān)乎到整個(gè)系統(tǒng)的溫升，溫升在很大程度上會(huì)對(duì)系統(tǒng)的可靠性和壽命造成影響。

達(dá)標(biāo)的電源壽命

電解電容、光耦都是有壽命的器件。壽命到期，器件性能劣化，最終導(dǎo)致性能失效。電解電容的壽命和溫升直接相關(guān)，而光耦的壽命和工作年限直接相關(guān)。

合理制定項(xiàng)目需求

做項(xiàng)目一開(kāi)始要分析或確定技術(shù)參數(shù)的合理性。技術(shù)需求定的太高，物料成本、研發(fā)周期、以及開(kāi)發(fā)難度都會(huì)隨之增大，甚至是無(wú)法實(shí)現(xiàn)。參數(shù)定的太保守，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)埋下隱患，反而需要做大量的細(xì)節(jié)工作來(lái)避免隱患。

我們最經(jīng)常遇到的問(wèn)題：這一路電源輸出電流做到多大合適？

這個(gè)問(wèn)題，大家可以從 “ 性能合格的電源 ” 章節(jié)中談及的 “ 符合輸出電流性能 ” 中得到解答。在滿足電源性能合格的五個(gè)條件下，把電路難度、成本、開(kāi)發(fā)周期做到最低，就已經(jīng)非常理想。

PCB 占板面積評(píng)估規(guī)劃

一個(gè)系統(tǒng)一般不止一路電源，在考慮電源方案的時(shí)候，每一部分的占板面積需要提前做好規(guī)劃。一旦確定好占板面積，基本就能確定是選擇分離器件還是選擇集成方案。確定占板面積最關(guān)鍵的一個(gè)因素，即是這一路電源的發(fā)熱功率，單位面積的 PCB 能承受的熱功率、散熱方式、以及散熱條件都有很大的相關(guān)性。

選用 Mos 內(nèi)置方案占板面積小，但是電路發(fā)熱集中，要小心器件過(guò)熱。分離器件方案功率器件都是單獨(dú)器件，發(fā)熱器件相對(duì)分散，對(duì)散熱有利。提高電源的轉(zhuǎn)換效率，可以降低單位功率的發(fā)熱量，減小占板面積。下圖 (圖2) 為 ADI 信號(hào)鏈電源 (SCP) 硬件評(píng)估平臺(tái)：

圖2 信號(hào)鏈電源 (SCP) 硬件評(píng)估平臺(tái)

總結(jié)

我們?cè)陂_(kāi)發(fā)一個(gè)全新電源系統(tǒng)之前，要先對(duì)電源系統(tǒng)有充分的理解，進(jìn)而明確需求、制定合適的性能指標(biāo)，才能對(duì)項(xiàng)目的應(yīng)用場(chǎng)景以及方案實(shí)現(xiàn)難度做出具體評(píng)估。在此基礎(chǔ)上制定出的項(xiàng)目解決方案，會(huì)最大化地接近實(shí)際需求。

駿龍科技作為 ADI 一級(jí)代理商，在高性能電源推廣和技術(shù)支持領(lǐng)域深耕十余載，有著深厚的技術(shù)底蘊(yùn)和經(jīng)驗(yàn)積累。欲了解更多技術(shù)細(xì)節(jié)和 ADI 相關(guān)方案，您可以點(diǎn)擊下方「聯(lián)系我們」，提交您的需求，我們駿龍科技公司愿意為您提供更詳細(xì)的技術(shù)解答。

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