【導(dǎo)讀】在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)電路板的電源部分時(shí)，很容易從目錄中選擇標(biāo)準(zhǔn)模塊。如今，許多供應(yīng)商提供各種優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，無論是隔離磚還是非隔離負(fù)載點(diǎn)模塊 (POL)。
在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)電路板的電源部分時(shí)，很容易從目錄中選擇標(biāo)準(zhǔn)模塊。如今，許多供應(yīng)商提供各種優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，無論是隔離磚還是非隔離負(fù)載點(diǎn)模塊 (POL)。
效率高、質(zhì)量和可靠性好、成本有競(jìng)爭(zhēng)力——您還想要什么？但與往常一樣，事情并不像看起來那么簡(jiǎn)單。盡管使用標(biāo)準(zhǔn)模塊的電源系統(tǒng)在許多情況下可能是一個(gè)很好的解決方案，但定制設(shè)計(jì)通常可以以更低的成本提供更好的性能。本文探討了在使用標(biāo)準(zhǔn)或自定義解決方案之間進(jìn)行明智權(quán)衡時(shí)涉及的一些問題。
電源要求
在本次討論中，我們將考慮使用分布式電源架構(gòu)的產(chǎn)品中的典型卡電源系統(tǒng)，其中每張卡的輸入電壓為 -48V。這種電源架構(gòu)在電信和高端計(jì)算應(yīng)用中非常常見，并在電信計(jì)算架構(gòu) (ATCA) 設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了指定。
在大多數(shù)應(yīng)用中，分布式電源系統(tǒng)中使用的每個(gè)卡必須在-48V 輸入和低壓輸出之間提供電氣隔離，以滿足安全要求。下面的表 1列出了該示例的基本要求。
表1“卡電源系統(tǒng)要求
輸入要求由應(yīng)用程序設(shè)置，并且通常對(duì)于系統(tǒng)中的每張卡來說都是通用的。每張卡的其他要求都不同，以適應(yīng)所使用的組件。
標(biāo)準(zhǔn)模塊解決方案
下面的圖 1 顯示了使用標(biāo)準(zhǔn)電源模塊滿足上表 1 中的電源要求的可能解決方案。在此示例中，兩個(gè)磚塊用于高功率輸出，而 POL 模塊用于其他三個(gè)輸出。這樣效率高，并且可以輕松滿足2.5V先于3.3V啟動(dòng)的要求。
圖1 “使用標(biāo)準(zhǔn)模塊的卡上電源系統(tǒng)
請(qǐng)注意，磚塊功率輸出必須足以驅(qū)動(dòng) POL 以及直接輸出。假設(shè) POL 的效率為 90%，則 2.5V 磚輸出必須至少為 19A（17A 直接加上 1.5V POL 的 2A）。同樣，3.3V 磚必須至少為 17A（11A 直接加上 1.2V 和 1.8V POL 的 5.7A）。
這種設(shè)計(jì)方法具有設(shè)計(jì)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，并且可以從多個(gè)供應(yīng)商處獲得各種磚和 POL。如果需要，可以在開發(fā)過程中使用不同的模塊輕松更改輸出電壓或電流。然而，brick 和 POL 在啟動(dòng)和故障期間獨(dú)立運(yùn)行。
需要外部電路來滿足輸入啟動(dòng)和關(guān)閉、浪涌電流限制、輸出排序和保護(hù)的系統(tǒng)規(guī)格。對(duì)于噪聲敏感的應(yīng)用，可能需要將電源電路開關(guān)頻率與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，但這不能用標(biāo)準(zhǔn)塊或 POL 來完成。每個(gè)模塊都有自己的頻率，每個(gè)供應(yīng)商都不同。
由于磚塊和 POL 僅適用于特定功率級(jí)別，因此通常需要選擇輸出功率略高于卡所需的模塊。還必須正確考慮應(yīng)用中所需的熱降額，每個(gè)供應(yīng)商的熱降額可能有所不同，并且這使得多個(gè)來源的變得復(fù)雜。因此，并且由于需要外部電路，使用標(biāo)準(zhǔn)模塊的電源系統(tǒng)通常比定制解決方案更昂貴。
定制電源解決方案
作為標(biāo)準(zhǔn)模塊的替代方案，定制電源解決方案提供了優(yōu)化設(shè)計(jì)以準(zhǔn)確滿足卡需求的可能性。下面的圖 2 顯示了滿足相同卡電源要求的定制電源模塊（見表 1）。該電源模塊包括所有 DC-DC 轉(zhuǎn)換和隔離功能以及排序和保護(hù)功能，取代了之前圖 1 中使用的磚塊和 POL。
圖 2 – 定制卡上電源模塊
請(qǐng)注意，本示例中的輸入功能不包含在定制電源模塊中。這使得 EMI 濾波可以在系統(tǒng)集成測(cè)試期間輕松優(yōu)化，而無需重新設(shè)計(jì)電源模塊，對(duì)于噪聲敏感應(yīng)用來說是一種很好的方法。
在其他應(yīng)用中，噪聲過濾可能不太重要，電源模塊可以包括輸入功能，如下圖 3所示。即使在這種情況下，輸入保險(xiǎn)絲通常位于模塊外部，因?yàn)樗鼈儽仨毐M可能靠近卡輸入連接器放置以滿足安全要求。
圖3“完全定制的卡上電源解決方案
定制設(shè)計(jì)方法避免了功能重復(fù)，并允許優(yōu)化電源電路，以的成本滿足卡的要求。模塊設(shè)計(jì)可以保證輸出排序和故障保護(hù)，并且可以通過從單個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)所有功率轉(zhuǎn)換級(jí)來降低開關(guān)噪聲。
此外，定制電源模塊比標(biāo)準(zhǔn)模塊需要更少的 PCB 面積，并且可以優(yōu)化物理封裝（尺寸、引腳排列、安裝、冷卻）以適應(yīng)應(yīng)用。然而，需要大量的設(shè)計(jì)時(shí)間和精力，因此這種方法更適合中到大批量應(yīng)用。
分立電源解決方案
另一種選擇是將電源組件直接安裝在卡上，而不是使用單獨(dú)的電源模塊。可以優(yōu)化設(shè)計(jì)以準(zhǔn)確滿足卡的需求，并且可以通過消除電源模塊 PCB 來降低材料成本。
如下圖 4所示，該框圖與圖 3 中的完整自定義模塊基本相同。但是，用于實(shí)現(xiàn)功能的組件可能會(huì)有顯著不同，因?yàn)樗鼈儽仨毰c整個(gè)卡組裝流程兼容。
圖4“分立電源電路
例如，通常不可能像電源模塊那樣在 PCB 內(nèi)嵌入平面變壓器或功率電感器。PCB 的層數(shù)和銅厚度也可能使其不太適合用作功率半導(dǎo)體的散熱器。
分立電源設(shè)計(jì)方法還使測(cè)試和故障排除變得更加困難，因?yàn)檩敵鲋苯舆B接到卡的其余部分。過壓保護(hù)或電流限制等功能無法輕松測(cè)試，否則會(huì)冒著發(fā)生故障時(shí)卡損壞的風(fēng)險(xiǎn)，甚至輸出紋波和負(fù)載調(diào)節(jié)也不容易測(cè)量。如果出現(xiàn)故障，排除故障時(shí)必須考慮卡上其他電路可能已損壞的可能性。一般來說，這種類型的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)適合大批量、低成本的電路板，其中測(cè)試不那么廣泛，并且不需要故障排除和維修。
表2“標(biāo)準(zhǔn)、定制和分立電源解決方案的比較
結(jié)論
如上表 2所示，總結(jié)了每種設(shè)計(jì)方法的主要優(yōu)點(diǎn)（以粗體顯示）和缺點(diǎn)，雖然電源系統(tǒng)的選擇取決于多種因素，但一些一般性結(jié)論是明確的。
基于標(biāo)準(zhǔn)模塊的解決方案提供了良好的靈活性和短的設(shè)計(jì)時(shí)間，但可能價(jià)格昂貴。在另一個(gè)極端，分立解決方案成本，但設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試更加困難。在許多應(yīng)用中，定制電源模塊可以提供良好的平衡，具有出色的性能，并且易于制造，且成本比標(biāo)準(zhǔn)模塊更低。
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