優化供電網路

作者：Jeff Ham，首席應用工程師

隨著行業對盡可能减少和消除浪費的重視，系統設計師有責任優化整體電源架構。 每個電子設備都有一個供電網路（PDN），通常包括但不限於線纜、母線排、連接器、電路板銅箔電源層、AC - DC 和 DC - DC 轉換器及穩壓器。 該網路中的每個組件都會影響設計功能的好壞，因為它將遇到線路、負載和環境的變化。

過去，電源架構一直在產品開發的後期階段確定，這時候空間和選項已經受限。 將架構設計安排在該流程早期階段的更積極主動的方法，有助於創建更穩健的系統，可在開發過程中適應不斷變化的設計規格。

電源設計人員經常關注轉換，以便最大限度提高轉換效率並最大限度降低功耗。 主要驅動因素是熱管理，因為轉換階段通常是熱負荷的最大來源之一。 高功耗需要更複雜、更廣泛的散熱方法，這都將新增成本和尺寸，特別是惡劣環境下的應用。

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換器的額定功率除以其十進位等效效率來確定電源轉換器的耗散功率：一個額定功率為 100W、效率為 80% 的轉換器，將具有 125W 的輸入功率和 25W 的耗散功率。 必須以這種管道考慮系統中的每個元件，以確定系統的總損耗，這一點至關重要。 提高效率，即使提高一點點，也能顯著降低損耗。 例如，效率提高 10 個百分點（在本示例中，提高到 90%），可能看起來並不多，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路有何影響？ 除了降低轉換器的熱影響外，還會减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，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）。 在供電網絡的分析中，電阻經常被忽略。 從電源到負載的所有路徑都有固定的電阻。 它們都與總系統的功耗有關。 此外，還必須考慮安全及穩定性組件，這些組件是整體功耗的主要來源，其中包括保險絲、斷路器以及用於减少電磁干擾並讓電壓平穩的濾波器。 在所有這些元件中，都有一個壓降損失，會降低開關穩壓器的穩定性，並在系統內產生其它問題。

如 CPU、脈衝負載或電機等功率波動較大的終端設備（供電網絡供電的設備）將導致轉換器輸入輸出的電壓出現顯著變化。 一般而言，轉換器遇到的電源阻抗應該比轉換器呈現的最低阻抗小 10 倍。

回到效率為 90% 的 100W 轉換器示例中，假設該器件的工作輸入範圍是 18 至 36V。 輸入為 18V 時，轉換器的輸出電流約為 6.2A。 因此，轉換器的輸入阻抗（R）為 V/I 或 18/6.2 = 2.9Ω。 36V 時，輸入電流為一半，因此阻抗是 11.7Ω。 在轉換器的輸入阻抗最低時，根據經驗，確保穩定工作的電源阻抗不應該超過 0.29Ω。

需要注意的是，在設計電源系統時，系統穩定性很重要。 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。

如何優化與系統功耗息息相關的 PDN？

無論是分析現有的設計，還是從頭創建一個新的架構，方法都一樣。

首先：儘管聽起來可能很明顯，但也請使用所提供的最高效轉換器。 分兩部分考慮 PDN：從實際應用負載到第一個轉換（包括所有中間轉換）的輸出，以及從電源到第一個轉換的輸入。

應用負載將具有預先確定的最小電壓要求。 現代電子系統的電流需求可能很高，在某些情况下，在不足 1V 的電壓下，可能會超過 1000A。 為了將這些應用中的損耗降到最低，負載點（PoL）轉換器一般佈置在用電負載附近。

PoL 避免了轉換器和負載之間很長的佈線距離，這是常規電源的特徵，而且提供精確電壓電源，滿足低電壓/大電流的需求。 PoL 應該盡可能靠近其供電負載的物理位置，以儘量減少互連電阻。

向輸入方向靠近時，PoL 輸入電壓應盡可能高。 考慮一個為 5 個獨立負載供電的 12V 低電壓 PDN。 在本示例中，負載為低電壓（不足 5V_DC），在這些負載和轉換器之間流動的電流較大。

這樣的設定可以是傳統的電腦電源、車載電源系統，也可以是無人機有效載荷。 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在就是之前的四分之一。 由於功率方程式中有電流的平方項，囙此新功耗會顯著减少，電壓偏差也會降低。

此外，48V 是良好的配電電壓，因為它也在安全超低電壓（SELV）的限制範圍內，IEC 將其定義為具有低觸電風險。 對於現有應用而言，提高電壓需要不同的 PoL。 在這裡，使用封裝尺寸相同器件的模組化方法將是一項輕鬆的轉換，因為轉換器將是直接替換件。

示例：系留無人機供電網路

考慮系留無人機或無人機的一個更為極端的示例，具體來說，電源到第一次轉換的影響。 系線代表地面電源間的介面。

假設無人機系線長 100 英尺並包含 24A-WG 導線，每根導線的電阻約為 2.5Ω/100 英尺。 在 48-V 配電時，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，該無人機根本無法起飛，因為系線會耗盡所有電源，該飛行器無任何動力。

現在考慮使用更高的輸入電壓。 假設 400V 系統與上述條件相同。
 
400V 配電時，系線電流會下降至約 1.25A，而且系線功耗僅為大約 8W。 將輸入新增一倍至 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。 較低的抽電流有助於使用更小規格的系線導體，從而不僅可减少阻力和風偏，同時還可降低無人機對電力的需求。

功耗很重要，但系線末端的穩壓也很重要。 無人機上的穩壓器會有一個定義好的輸入電壓範圍。 系線電阻有壓降。 鑒於 24-AWG 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，减少系線上的壓降，也可降低壓降與所用電壓的比率，從而可進一步改善穩壓：如果電壓翻倍、電流减半，系線上的壓降也會减半，而且系線壓降與負載電壓的比率則為四分之一。

顯然，將地面電源新增至 800V，是優化通過系線傳輸電力的途徑。 但無人機必須將這 800V 的電壓降壓轉換為低電壓，才能為其電機和電子設備供電。 對於 PDN 的這一部分，機載電子設備的 48V 最有意義，原因如前所述。

綜上所述，優化 PDN 的路徑可以歸納為 6 個步驟：

1. 先考慮電源。 一旦有了最初的電源需求，就得為模組化電源設計預留空間。 模組化方法不僅靈活，而且擴充也很便捷。
2. 請注意電流路徑中的每個元件。
3. 使用允許的最高電壓，减少所需的電流。
4. 使用最高效的轉換元件降低轉換損耗。
5. 使用最高功率密度的器件，以便接近負載佈置。
6. 儘量減少互連電阻，這不僅可降低壓降，而且還可降低功耗。

Jeff 在 Vicor 已工作 25 年，在電源行業有 39 年的豐富經驗。 他畢業於美國東北大學，獲電氣工程學士學位。
他的郵箱地址是 jham@vicr.com 。

Jeff Ham，首席應用工程師