設計多級工業(yè)電源的方法詳解
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本文詳細介紹了如何在典型工業(yè)用24V電源環(huán)境下，借助WEBENCH Power Architect 中的新的電源模塊來設計高效的多輸出電源。該工業(yè)用24V電源在第一階段中將電源轉換為中間電壓軌，最后轉換為典型負載點電壓和負載點電流。本文旨在說明各個階段的設計方法及其根據項目要求易于修改和優(yōu)化的特性。
圖 1 _SS 電源模塊 PR2290
各種工業(yè)應用對電源的要求基本相同。下面引用的是典型應用如 FPGA 電源等所需的主要參數值。在馬達控制、自動化網絡和機器視覺領域中，可以依照此步驟采用相同的設計方法。
第一步確定電源輸入的可能電壓值：
Vin nom operating：24V
Vin operating：18V~30.5V
Vin transient：36V~42V
Tambient operating：-40℃~+85℃（不含外部散熱器或風扇）
在這里將略過 IEC 61132 PLC 規(guī)定的靜電釋放 （ESD）、突發(fā)和浪涌以及電流注入等要求。因此，可以單獨設計電源，而無需考慮為滿足上述測試要求而設計系統穩(wěn)健性的保護電路。
我們使用美國國家半導體的 WEBENCH Power Architect工具設計多輸出方案，可通過 www.national.com/analog/webench/power_architect 訪問這一創(chuàng)新的在線工具。在該工具啟動后的登陸頁面（配置步驟）上將看到一個面板，在面板上可以填寫輸入和負載規(guī)格。應以實際應用中負載的名稱命名填寫的輸入負載。
電源：“24V 工業(yè)電壓軌” VMin：18V VMax：42V Tambient：85℃
應使用“添加負載”按鈕設定各負載規(guī)格。
LOAD_1：“FPGA 核” VLoad：1.2V ILoadMax：4A
LOAD_2：“模擬電源” VLoad：2.5V ILoadMax：0.5A
LOAD_3：“I/O 電源” VLoad：3.3V ILoadMax：0.5A
LOAD_4： “I/O 電源” VLoad：1.8V ILoadMax：0.5A
LOAD_5：“通用用途” VLoad：5V ILoadMax：1A
我們可以盡可能地使用模塊，并選擇“首選模塊解決方案”選項。
點擊“提交項目要求”按鈕將啟動復雜的計算和優(yōu)化過程，最終將通過三種不同的設計工具顯示多個解決方案。在第一次選擇中可以限制顯示的解決方案數量，以便簡化結果。
表格與框圖：
每行代表一個完整的多輸出電源設計方案，并列出了主要的系統參數。高亮顯示的一行，代表著具有最佳效率與成本的備選方案，其對應的框圖顯示在右側。
圖形化圖表（圖 2）：
圖 2 _Webench PA_ 優(yōu)化項目階段_ 圖形
圖 3 _Webench PA_優(yōu)化項目階段_撥盤
每個圓對應表格中的一行，將鼠標移到圓上方即可識別特定設計。本圖可讓您輕松了解占位面積（y 軸）、效率（x 軸）和成本（圓的面積大小）之間的關系。
“優(yōu)化調諧”撥盤（圖 3）的指針可向“最低 BOM 成本”或“最高效率”方向轉動。這將在圖形和表格（圖 2）中添加更多的設計解決方案。黃色圓對應著表格中高亮標注的設計和實際顯示出的框圖。參考其它圓與優(yōu)化撥盤刻度的背景色色差，可以了解到相關的優(yōu)化策略。
這樣，設計師便能一目了然地看出選擇某個總線電壓或解決方案架構對成本和效率的影響。
我們將在后續(xù)步驟中，使用 WEBENCH 高亮標出的具有最佳性能的設計方案，，總線電壓設定為 5V，這是為了讓工作在5V 電壓軌下的零件能獲得最佳效率和性價比。
單擊“查看項目詳細信息”的按鈕可進入下一級頁面，將顯示出最終框圖（如圖 4所示）、所選的電源模塊的原理圖，以及顯示出每個模塊功耗、價格和占位面積間比例關系的餅圖（如圖 5所示）。圖表中的顏色對應著框圖中相應的模塊。
圖 4 _Webench PA_查看項目階段_圖解 1
圖 5 _Webench PA_查看項目階段_餅圖 1
到這里我們可以認為設計已經完成，選定的解決方案僅使用了電源模塊就帶來了上述全部優(yōu)勢。
Power Architect 還提供了進一步優(yōu)化所選架構的可能。它允許在選定的設計中替換零件。在我們的示例中，我們注意到第一階段中的 LMZ14203 模塊是導致功率損耗的最主要因素（如圖 6所示）。在餅圖下方的窗口中單擊該器件，并選擇“替代方案”（如圖 7所示）。將器件按效率排序（單擊相應的列）并選擇 LM3150，這樣即將總效率提高 5%，達到 79%。另一個優(yōu)化選項為解決方案成本，餅圖顯示了負載電流僅為0.5A 的三個模塊對成本的巨大影響。因此，我們按“BOM 美元成本”排序，將“替代方案”中的這三個模塊替換為 LM3674，這樣可使系統總效率仍保持較高的水平 （81%），但同時能削減一半以上的方案成本。
圖 6 _Webench PA_查看項目階段_圖解 2
圖 7 _Webench PA_查看項目階段_餅圖 2
結論
使用WEBENCH Power Architect可在幾秒內設計出多輸出電源，在進行多個工業(yè)標準設計時，它具有極大的設計與優(yōu)化的靈活性。電源模塊為這些設計提供了最高的集成度和可靠性。美國國家半導體將會發(fā)布更多用于電源模塊的電壓和功率選項，這將極大地增加此類復雜的電源解決方案的設計靈活性。
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