Power modules simplify creepage and clearance design solutions for electric vehicles
Overmolding is the key to solving arcing issues in 48V automotive power systems
首席应用工程师 Jonathan Siegers 和应用工程师 Vamshi Domudala 撰写的教程
如何设计模块化 DC DC 系统，第 1 部分：设计的 4 个阶段
在设计模块化 DC-DC 系统时，必须要考虑从电源到负载的整个供电系统，才能实现所需的功能和性能。本系列教程不仅将介绍模块化 DC-DC 系统的设计流程，通过这些流程，来完成电源到负载的设计案例。
此外，本系列还将介绍整个电源系统设计所需的 DC-DC 模块的整体系统集成及支持电路。这包括 电源和去耦、滤波和稳定性分析、 输出滤波和瞬态响应、 驱动专用负载（即脉冲负载）、 安全与保护、均流与容错阵列以及信号级输入输出的注意事项。
模块化设计的优势
DC-DC 电源模块不仅可简化整个系统的设计流程，而且还可为设计人员提供三大优势。
高性能 —— DC-DC 模块提供一种预先认证的解决方案，其特点是高可靠性和高效率，这是当前电源系统的首要问题。提供各种各样的模块类型，这些模块可在功率密度、集成和效率方面提供大量的优势。
模块化性质 ——与分立式设计不同，设计者可以利用模块来搭建复杂的电源系统，利用高性能供电构建，轻松实现分布式供电系统。如 Vicor 分比式电源架构 ™ 或较早的中间母线架构。开发完成后，这些解决方案就很容易扩展，满足不同的需求和不同的功率级。另外，系统设计后期出现的需求变化不会彻底打乱项目：随着系统需求的不断发展，可以替换或增加不同的模块。
速度——有了电源模块，就有可能缩短开发时间，而且从设计概念的形成到最终实施的整个过程遭致的风险都可降到最低。
设计的 4 个阶段
第 1 阶段：基本系统需求
设计电源系统的第一阶段是确定系统需求。请在这个阶段提出以下问题，以便为系统及其工作的高级定义形成概念：
- 电源从哪里来？
- 电源的特征是什么？
- 需要提供什么类型的负载？
- 什么架构最能满足系统需求？
接下来，为系统工作电压、电流及功率级列表。完成列表的方法是：列出负载并根据所需的输出电压和负载电流要求对其进行组织安排。
开始考虑可能需要的专用功能也很有用。在以下示例中，有一个 1.2V 的负载点，电流要求 120A。这一特定的负载有严格的稳压要求，而且可能会出现高达 200A 的峰值电流。第二个示例是 2.2V 负载，例如一款必须调整电流的 LED 驱动器。
第 2 阶段：系统架构
开发供电架构，并开始选择和最终确定满足系统转换需求的电源模块。绘制系统框图，确定从电源为负载供电的架构。
首先列出系统输出，如图 1 中最右侧所示。负载点范围可达 48V、16A。对市场上提供的电源模块进行审查，可确定哪种类型的模块适合提供这些负载。
用负载特征和预估效率来建立模块需求的基本系统架构。
用负载特征和预估效率来建立模块需求的基本系统架构。
接下来考虑系统的一些物理限制。这可能包括为实施系统提供的空间、满足隔离需求的设计注意事项，以及能否发挥专用供电网络 (PDN) 架构的优势等。如图示，将48V总线通过分比式电源（Vicor开发的架构）为点负载供电。
部署好负载和负载点稳压器和电源模块后，就可开始从负载侧到电源的反向工程，使用每个负载分支的数据表效率估计值推算上游转换模块的电流输出需求。通过从点负载到48V母线的计算，系统将需要从母线转换器提供至少 9.5A 的电流，这样就明确了对模块的需求。
在设计时通常会面临一些必要的调整。例如，2.2V的负载电流规格可能会加倍。而相应的，设计者只需要将转换模块加倍，就可以满足新的需求。接下调整效率预估值，和负载对上游总线转换器的需求，就可以完成一个整体的系统设计图。
第 3 阶段：实施
在这个环节，系统集成所需的模块配置和外部线路将会最终完成。一个模块或一组模块并不是完整的电源系统；跨越从电源到负载的鸿沟，需要解决许多相关问题：
- 设计滤波器来满足相关的EMI标准
- 模块保护范围通常很窄，仅限于保护模块本身
- 电源及负载特征决定去耦需求
- 高可靠性应用可能会有特殊负载或者冗余需求
- 与系统控制器的连接和电源时序设计
设计工作的主要内容就是确定以上问题。首先检查一个外部线路的典型示例，以下是一个DC-DC模块电源的简化外部线路。
使用 DC-DC 电源模块构建完整系统所需的支持电路的示例。
使用 DC-DC 电源模块构建完整系统所需的支持电路的示例。
从电源模块向外展开工作，设计人员必须首先减少开关电源的噪声特征，其中包括输入端和输出端的滤波。其次，为确保系统的稳定性，需要分析电源以及配电线路的阻抗，以便对来自稳压电源模块的电源进行适当去耦。此外根据不同的工作环境，可能需要额外的浪涌保护线路，才能满足安全要求并保护系统免受浪涌和尖峰电压的损坏。最后，系统设计还必须考虑所有特殊负载注意事项。
第 4 阶段：模块控制与监控
设计过程的最后一个阶段是与模块交互，包括模块的控制和监控接口。通常模块电源都低压的模拟或者数字接口。
典型的模拟电源接口可以用来实现多种功能，例如输出电压微调。用来连接外部控制器的使能引脚，指示电源故障状态的监控引脚，以及用来监控模块内部温度的模拟电压脚。
而数字电源通过 PMBus® 接口，可以提供功能更丰富的控制和监控方式。，其可提供输出电压微调控制、启用/禁用控制以及其它配置选项。另外针对某些特定的需求，还可以提供调节限流点故障保护点的功能。不仅如此，数字电源还可以通过故障状态标志为来识别欠压，过压，过流等故障原因。
稳压模块通常提供遥感功能，其可通过补偿配电线路阻抗压降，在负载位置实现更精确的稳压。遥感利用两个传感器引线的 Kelvin 连接，直接监控负载终端的电压，因此控制器可抵消大电流配电系统中的压降。
电源模块的模数信号功能。
电源模块的模数信号功能。
无论是发送模拟控制信号还是发送数字控制信号，重要的是区分信号所参考的地网络。如果低功率信号级连接与模块的功率输出共享一个通用接地返回路径，高频开关噪声可能会通过路径上的寄生参数耦合到控制信号中，导致工作不稳定。为了避免以上情况，必须将信号地单点连接到功率地上。
总结
本文介绍了DCDC电源模块系统设计的流程，以下系列教程将更详细介绍设计第 3 阶段的主要注意事项。
