如何設計模組化 DC DC 系統，第 1 部分：設計的 4 個階段

在設計模組化 DC-DC 系統時，必須要考慮從電源到負載的整個供電系統，才能實現所需的功能和性能。本系列教程不僅將介紹模組化 DC-DC 系統的設計流程，通過這些流程，來完成電源到負載的設計案例。

此外，本系列還將介紹整個電源系統設計所需的 DC-DC 模組的整體系統集成及支持電路。這包括 電源和去耦、濾波和穩定性分析、 輸出濾波和瞬態響應、 驅動專用負載（即脈衝負載）、 安全與保護、均流與容錯陣列以及信號級輸入輸出的注意事項。

模組化設計的優勢

DC-DC 電源模組不僅可簡化整個系統的設計流程，而且還可爲設計人員提供三大優勢。

高性能 —— DC-DC 模組提供一種預先認證的解決方案，其特點是高可靠性和高效率，這是當前電源系統的首要問題。提供各種各樣的模組類型，這些模組可在功率密度、集成和效率方面提供大量的優勢。

模組化性質 ——與分立式設計不同，設計者可以利用模組來搭建複雜的電源系統，利用高性能供電構建，輕鬆實現分佈式供電系統。如 Vicor 分比式電源架構 ™ 或較早的中間母線架構。開發完成後，這些解決方案就很容易擴展，滿足不同的需求和不同的功率級。另外，系統設計後期出現的需求變化不會徹底打亂項目：隨着系統需求的不斷髮展，可以替換或增加不同的模組。

速度——有了電源模組，就有可能縮短開發時間，而且從設計概念的形成到最終實施的整個過程遭致的風險都可降到最低。

設計的 4 個階段

第 1 階段：基本系統需求

設計電源系統的第一階段是確定系統需求。請在這個階段提出以下問題，以便爲系統及其工作的高級定義形成概念：

• 電源從哪裏來？
• 電源的特徵是什麼？
• 需要提供什麼類型的負載？
• 什麼架構最能滿足系統需求？

接下來，爲系統工作電壓、電流及功率級列表。完成列表的方法是：列出負載並根據所需的輸出電壓和負載電流要求對其進行組織安排。

開始考慮可能需要的專用功能也很有用。在以下示例中，有一個 1.2V 的負載點，電流要求 120A。這一特定的負載有嚴格的穩壓要求，而且可能會出現高達 200A 的峯值電流。第二個示例是 2.2V 負載，例如一款必須調整電流的 LED 驅動器。

第 2 階段：系統架構

開發供電架構，並開始選擇和最終確定滿足系統轉換需求的電源模組。繪製系統框圖，確定從電源爲負載供電的架構。

首先列出系統輸出，如圖 1 中最右側所示。負載點範圍可達 48V、16A。對市場上提供的電源模組進行審查，可確定哪種類型的模組適合提供這些負載。

接下來考慮系統的一些物理限制。這可能包括爲實施系統提供的空間、滿足隔離需求的設計注意事項，以及能否發揮專用供電網絡 (PDN) 架構的優勢等。如圖示，將48V總線通過分比式電源（Vicor開發的架構）爲點負載供電。

部署好負載和負載點穩壓器和電源模塊後，就可開始從負載側到電源的反向工程，使用每個負載分支的數據表效率估計值推算上游轉換模組的電流輸出需求。通過從點負載到48V母線的計算，系統將需要從母線轉換器提供至少 9.5A 的電流，這樣就明確了對模組的需求。

在設計時通常會面臨一些必要的調整。例如，2.2V的負載電流規格可能會加倍。而相應的，設計者只需要將轉換模組加倍，就可以滿足新的需求。接下調整效率預估值，和負載對上游總線轉換器的需求，就可以完成一個整體的系統設計圖。

第 3 階段：實施

在這個環節，系統集成所需的模組配置和外部線路將會最終完成。一個模組或一組模組並不是完整的電源系統；跨越從電源到負載的鴻溝，需要解決許多相關問題：

• 設計濾波器來滿足相關的EMI標準
• 模組保護範圍通常很窄，僅限於保護模組本身
• 電源及負載特徵決定去耦需求
• 高可靠性應用可能會有特殊負載或者冗餘需求
• 與系統控制器的連接和電源時序設計

設計工作的主要內容就是確定以上問題。首先檢查一個外部線路的典型示例，以下是一個DC-DC模組電源的簡化外部線路。

從電源模組向外展開工作，設計人員必須首先減少開關電源的噪聲特徵，其中包括輸入端和輸出端的濾波。其次，爲確保系統的穩定性，需要分析電源以及配電線路的阻抗，以便對來自穩壓電源模組的電源進行適當去耦。此外根據不同的工作環境，可能需要額外的浪涌保護線路，才能滿足安全要求並保護系統免受浪涌和尖峯電壓的損壞。最後，系統設計還必須考慮所有特殊負載注意事項。

第 4 階段：模組控制與監控

設計過程的最後一個階段是與模組交互，包括模組的控制和監控接口。通常模組電源都低壓的模擬或者數字接口。

典型的模擬電源接口可以用來實現多種功能，例如輸出電壓微調。用來連接外部控制器的使能引腳，指示電源故障狀態的監控引腳，以及用來監控模組內部溫度的模擬電壓腳。

而數字電源通過 PMBus® 接口，可以提供功能更豐富的控制和監控方式。，其可提供輸出電壓微調控制、啓用/禁用控制以及其它配置選項。另外針對某些特定的需求，還可以提供調節限流點故障保護點的功能。不僅如此，數字電源還可以通過故障狀態標誌爲來識別欠壓，過壓，過流等故障原因。

穩壓模組通常提供遙感功能，其可通過補償配電線路阻抗壓降，在負載位置實現更精確的穩壓。遙感利用兩個傳感器引線的 Kelvin 連接，直接監控負載終端的電壓，因此控制器可抵消大電流配電系統中的壓降。

無論是發送模擬控制信號還是發送數字控制信號，重要的是區分信號所參考的地網絡。如果低功率信號級連接與模塊的功率輸出共享一個通用接地返回路徑，高頻開關噪聲可能會通過路徑上的寄生參數耦合到控制信號中，導致工作不穩定。爲了避免以上情況，必須將信號地單點連接到功率地上。

總結

本文介紹了 DC DC 電源模組系統設計的流程，以下系列教程將更詳細介紹設計第 3 階段的主要注意事項。

該系列的其它精彩內容

• 如何設計模組化 DC DC 系統，第 2 部分：濾波器設計
• 如何設計模組化 DC DC 系統，第 3 部分：穩定性分析與解耦
• 如何設計模組化 DC DC 系統，第 4 部分：安全保護系統
• 如何設計模組化 DC DC 系統，第 5 部分：負載考慮因素