Skip to main content

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 5 部分:负载考虑因素

DC-DC tutorial load considerations image

本系列教程前面的内容为电源模块解决了将其用作完整 DC-DC 电源系统元素时的相关 滤波稳定性 及 保护问题 。该教程重点介绍使用电源模块设计的系统的负载相关内容。

曾经有可能将 DC-DC 模块提供的负载概念化为只有电压和电流要求,从而可有效将其简化为一个简单的黑盒子。但随着时间的推移,负载变得越来越复杂,如今它们具有许多与供电网络 (PDN) 相关的特征。因此,电源系统设计人员必须非常详细地了解负载行为,才能确定它是否会影响 DC-DC 模块的性能。例如,负载可能会影响模块的控制环路响应,从而影响其稳定调节与执行的功能。此外,负载行为还可能对模块的瞬态响应能力产生不利影响。

Load system diagram

每个系统都会涉及一些针对负载的设计考虑因素(系统图的橙色部分)。

负载的基本类型以及其对控制环路及瞬态响应的影响

负载有三种主要类型:电阻负载,复合型负载,转换器负载。电阻负载最简单,对 DC-DC 模块的控制环路或瞬态响应完全没有影响。由电阻、电感和电容性特征组成的更复杂负载肯定会影响模块的控制环路稳定性与瞬态响应。但当 DC-DC 模块作为附加转换器模块的输入时,情况就不那么明显了。在这种情况下,上游模块的控制环路稳定性和瞬态响应取决于下游模块的控制环路特征。除了这些主要的负载类型之外,一些特殊情况还需要更加仔细的分析。

3 basic load types diagram

电阻负载,复合型负载,转换器负载。

电感负载带来 EMI 及性能挑战

电感负载在关断情况下为 DC-DC 电源模块带来了特殊挑战。下图为简单的电感器和串联开关显示了电感负载特征。打开开关会非常迅速地切断从模块到电感器的电流路径,产生巨大的负电压尖峰,因为电感器阻碍了通过它的电流变化。该行为将导致高频率噪声脉冲,可能会在开路开关接触点间形成电弧。施加到 DC-DC 模块输出(以及连接至母线的任何其它端口)上的电压尖峰会影响模块的行为,而噪声脉冲则会影响模块的 EMI 及整体性能。解决方案是在电感负载间增加一个续流二极管,为电感器存储的能量提供所需的放电路径。

Inductive loads image

电感负载具有独特的特性,会对电源系统设计产能影响,尤其是在断电时出现的巨大负电压尖峰。

平均功率有助于为脉冲负载提供高效的电源设计

脉冲负载的特点是峰值负载电流短,但非常大,其可带来不同类型的 DC-DC 系统设计挑战。为这种负载设计系统的最简单方法是选择在脉冲峰值下支持满负载电流的电源模块。虽然可行,但需要对其需要的电源模块及相关滤波与热管理组件的重量与成本进行难以抉择的利弊权衡。

可以使用平均功率技术设计一款成本更低的且更紧凑的系统。平均功率是一项面向峰值负载要求和通断时间比的功能。平均功率系统设计利用较小的 DC-DC 模块和适当的 PDN 组件储存大量的能量,以在占空比关断时间内将压降保持在负载的规定容差内。这可针对实际电源需求优化电源系统,而不是针对最坏的情况过度设计系统。

Power averaging technique diagram

平均功率技术允许设计人员针对在短时间脉冲情况下需要大电流电源的负载优化 DC-DC 系统。

有几个因素会影响为平均功率选择合适的电源模块。首先,该模块需要有限流或者限功率的功能,才能确保负载的峰值脉冲从位于电源模块输出端的大容量储能电容器中抽取能量。其次,DC-DC 模块必须支持使用大容量电容的启动和工作,因为根据脉冲负载特征,可能需要大量的能量存储。大容量输出电容也会影响模块稳定性,在系统设计中必须考虑到这一点。

有三个主要考虑因素会影响针对在 PDN 中设计的大容量存储选择适当的电容器。首先,额定电压应约为系统工作电压的 140%(或更高)。其次,选择具有适当温度分布的电容器,以便涉及大量热量的环境条件不会对系统可靠性产生负面影响。最后,将这些性能因素与应用中可接受的电容的物理体积进行利弊权衡。

使用模块化阵列针对大功率负载进行扩展

DC-DC 系统模块化设计方法的主要优势之一是可扩展性:电源模块不仅可实现电流共享,而且还可在并行使用时提供容错,从而可在提供更高可靠性优势的同时,提供大量功率,无需限定一款新的分立式设计。有时可以并行连接电源模块,无需过度关注与其各自控制系统的不良交互,但设计人员应该注意两个主要的关注点。

首先,相比独立使用的模块,在阵列中的模块可能需要进行降额使用。例如,阵列中的模块启动时,电容可能不会像独立模块那样,达到满负载。其次,可能需要额外的外部控制电路,才能确保遇到故障的模块的关机和重启行为不会中断整个系统。

模块阵列中的电流共享 

要充分利用并行连接的模块所提供的功能,系统设计应确保阵列平等共享负载电流。这将通过降低每个模块上的热应力,最大限度提高阵列的整体可靠性。最简单的方法是采用下垂均流机制,以便在负载消耗更多的电流时,输出电压略有下降,并在模块之间强制均流。一个更高级的方法是添加一个有源的均流 控制器,监控每个模块的独立输出电流。

去耦噪声,确保模块阵列中的电源质量

模块并联阵列也需要为输入输出设计滤波器,以确保模块产生的噪声电流在局部循环,不会对相邻的模块产生干扰。如果允许噪声电流在阵列中自由循环,这些噪声电流就会造成严重的稳定性问题,并对整个系统工作产生不利影响。

Parallel filtering diagram

在并行阵列中对每个模块的输入输出进行滤波,可防止拍频(用绿色及蓝色箭头表示)在整个阵列中循环,从而导致系统不稳定。

开关噪声影响系统稳定性的一种方式是在系统的整体开关频率噪声剖面中增加一个低频率噪声分量。像这样的拍频是由甚至存在于相同类型、相同型号的模块中的固有变异性引起的,在现实世界里更加复杂,理想情况下为单个较高振幅的纹波,由阵列中所有模块的开关噪声共同产生。

为每个单独的模块设计并提供输入输出滤波的另一个原因是,一个模块产生的正常噪声,阵列中的另一个模块会感知为扰动,因此即使负载的行为保持不变,也会显著改变该模块的行为。请回到本系列的第二篇教程,了解有关输出滤波器设计的更多详情(第 2 部分)

针对容错和冗余设计阵列

模块的并行阵列也可通过冗余实现容错,在成本增加不大的情况下,显著提高 DC-DC 电源系统的可靠性和稳定性。系统负载可能有单个模块能够满足的电源需求,而系统则可通过并行增加另一个模块,实现 N+1 冗余。多个模块并联,将实现 N+M 冗余。

具体实施方案因应用而异,但基本原理是相同的:同时为各模块的输出提供 O 型环,以防止故障或短路导致整个阵列关闭。有两种方法可以实现这一点:在每个模块的输出端布置一个串联二极管或主动控制 MOSFET。串联二极管将在模块输出端阻止短路情况,以免影响阵列的其余部分。尽管如此,但在正常工作时,由于导流时的正向压降,这会造成一定的功耗。要减少损耗,请使其热运行,充分利用二极管的负温度系数。要进一步降低损耗,请使用主动控制 MOSFET 代替二极管:其功能与二极管相同,但不怎么影响效率。

Redundant array diagram

有两种选项,可为冗余阵列的模块提供 O 型环,以确保一个模块的故障不会导致整个系统瘫痪:串联二极管和主动控制 MOSFETS。

模块化电源只会越来越好!

负载对电源的要求越来越高,使得分立式解决方案的设计随着时间的流失,越来越麻烦,其压力包括更高的功率、更高质量的电源、更高的效率、可扩展性、紧张的设计时间安排,以及大量其它挑战。模块化电源设计方法具有明显的优势,有助于电源设计人员跟上发展的步伐,但使用电源模块进行设计,需要从不同的角度思考问题并使用一些新的工具和技术。抽时间了解模块化方法显然是值得的,因为电源模块正稳步变得更小、更高效、功能更强大。

本系列教程从头到尾概括介绍了使用模块设计 DC-DC 电源系统的整个过程:从基本电源系统架构(第 1 部分)到噪声过滤与稳定性注意事项 (第 2 部分), (第 3 部分) ,再到安全要求(第 4 部分),最后是本教程中与专业负载及并联阵列相关的特殊因素。按照这种方法操作的设计人员将能够为日新月异化的技术提供高质量的稳定电源。

该系列的其它精彩内容

资源

Contact Form

联系Vicor

感谢您与我们联系。

您将在一个工作日内收到答复。