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应用解析 | 电源性能设计

时间：2023-09-08 16:46来源：

摘要：每位工程师都想要为他们研究的系统、电源或产品设计出最佳性能。但是性能设计到底是什么呢？对电源解决方案来说可能是指尺寸、重量和功率(SWaP)之间的典型权衡，甚至包括成本因素(SWaP-C)。

每位工程师都想要为他们研究的系统、电源或产品设计出最佳性能。但是性能设计到底是什么呢？对电源解决方案来说可能是指尺寸、重量和功率 (SWaP) 之间的典型权衡，甚至包括成本因素 (SWaP-C)。

专为能源性能的设计（通常以效率指标衡量）主要关注在电源能耗性能的优化，即：强调运营支出 (OPEX) 也就是基本的能源成本。

如果电源解决方案对其外形因素性能进行优化，这可能会降低最大转换效率，意思就是采取资本支出 (CAPEX) 设计的优化，将重点放在如何节约前期成本而不是通过更低的OPEX来降低摊余成本。这种区别在电源OPEX主导总拥有成本 (TCO) 的应用中至关重要，例如大型数据中心。

对于不受限制的应用，可以根据燃料、续航里程或电池寿命来确定电源OPEX。通常，这些有限的能源将作为最大化系统性能的控制因素。

因此工程师必须先了解电源、负载和操作环境之间的关系，然后才能开始清楚知道哪些性能因素是优化的重点。以电源解决方案为例，大多数的设计参数最终都集中在热性能的设计上，比如在最大输入电压、满载和高环境温度的苛刻工作条件下，将关键组件保持在临界温度阈值以下，如半导体结、封装表面温度、印刷电路板或 PCB 温度。


处理正常运行时间性能
如果输出电压调整率和精度是最重要的，那么优先考虑优化电源控制回路性能（反馈回路稳定性和负载瞬态响应）以确保负载突然变化后或在电源电压骤降和浪涌期间不会造成电源输送不稳定或不可预测。

当操作可靠性是重中之重时，也就代表关键任务的性能指标是应用或系统本身的正常运行时间。在这种情况下，因系统的要求甚至可能需要牺牲电源和其他设备以尽可能地保持运行，即使工作条件已超出规格。这与因短期过载、过流或过热而设计具有内置关断保护的电源是完全不同的做法。
虽然功率和热指标通常不被认为是应用性能的主要瓶颈，但由于它们的基本物理特性成为基本性能的限制因素。背后的原因可能是功率半导体组件的最大结温、电源线或功率电感器的最大电流，无论如何性能最终会受到功率或散热限制的限制。
有时需要对系统性能做降额以维护整体隔热层或热分区。例如，处理器能够处理额外的每秒百万指令 (MIPS) 或无线电有额外的空间来进一步放大射频信号，但系统缺乏足够的热管理技术来允许功耗的增加。
 
强调能源性能
电源通常不被特别重视，这不仅是低估了电源解决方案的复杂性和特殊需求，在可用性方面也是如此。正如先前提到的热瓶颈，经常会看到为了节省成本或将电源压缩到更小的空间之中，造成系统负载的峰值需求与电源能够提供的之间有显著的差距。如果忽略回路控制和瞬态设计的挑战（基于本文的讨论范围），当电源子系统设计分析的安全余量过低，同时没有充分考虑由同一共轨提供的所有负载，甚至没有将上游电源轨纳入到更大的电源解决方案的时候就有可能出现功率差距。
 
大多数电源子系统涉及多级电压转换，从离线 (ac) 到中间总线电压（通常为48/24/12 Vdc）再到ASIC和其他逻辑电路的低电压（通常≤5 Vdc）。一般来说，由于负载电流往往会随着总线电压的降低而增加，因此更加关注低电压轨的电源转换解决方案的效率；在这种情况下，耗散损耗对整体系统的热性能而言变得更加重要且关键。
 
即使负载终端得到了更高的关注，也很容易忽略上游电源转换解决方案的影响。因此开发一个系统功率预算的交互式模型至关重要，该模型考虑了所有电源的负载与效率曲线，以及从终端负载一直到上游离线电源的瞬态性能所带来的总体影响。

电源性能是否与系统性能分开？
当然不是！但是要特别强调原因可能跟你认为的不太一样。电子世界中的一切都需要电源，因此有了电源解决方案，而电源的性能和整个系统或应用的成功与否存在着直接的关系。
 
这种关系通常是以一种高度简化的方式理解（电源打开、系统上电），但它没有考虑到电源与负载交互时的稳定性。如果负载要求的瞬态表现高于电源所能提供的，这可能会导致电源控制回路不稳定以及许多不良的结果，例如调节不良、无法启动、保护电路意外跳闸、过多的电磁辐射或EMC问题。
 
电源解决方案的可行性与其他系统组件一样是由环境场景而定。电源电压较低时对电源解决方案的额定输出做降额并不少见，原因就是受到上述的热瓶颈的限制。
 
此外，我们也讨论过如果系统降低功耗是有限的，那拥有更多的可用功率并不一定代表负载可使用的量就会增加。在较高海拔和较低大气压运行意味着必须进一步对性能做降额，因为1 kft 或300m 大约等于在海平面上额外增加1°C 的环境温度。此外，需要加强隔离等级以便在高海拔地区工作，因为在低大气压下更容易发生闪络。出于这个原因，RECOM在AC/DC 电源的规格中增加了工作海拔规格。

结论
话虽如此，有一些部署方案和电源架构是为了将电源性能与系统性能分开而设计的。在大多数情况下，这是指在有冗余的应用中电源预算与系统功率预算的比例大于1:1。供给公共负载总线的冗余电源倾向于均流（经验法则是在彼此之间共享10%以内），这意味着电源是在远低于其最大额定输出电流的情况下工作。
 
最基本的冗余配置形式是 N+1，其中两个电源（通常是相同的）为系统提供共享电源，虽然单个电源就足以提供全负载。由于系统功率预算中内置了许多典型余量层，因此即使系统需要绝对最大功率，这些电源只需以最大额定输出电流的 30-40% 运行。在这个情况下如果电源和系统都经过全面设计并符合系统全功率的要求，那么电源和系统的寿命性能表现将大不相同，因为系统组件承受的热应力其实是电源的两倍。
 
划分电源解决方案以及系统或负载需求的另一个例子是去除负载或共享负载方案。如果每次都根据最坏情况负载曲线的最大值总和来建立系统功率预算并以此决定电源解决方案的大小并不务实，很少有所有负载同时看到消耗最大功率的情况，导致许多不必要的过度设计。
 
这些过度设计有时会打造出一个比实际所需来得更大、更贵或更低效的电源解决方案。如果知道主要系统负载是反相的（计算和内存是系统的主要负载，电源波形的峰值和谷值往往彼此相差 180°），可以选择较小的电源解决方案搭配智能电源管理 (IPM) 技术。
 
有一些电源甚至是为了在过流条件下短期运行而设计的，无需关闭或启动任何过流保护 (OCP)。举例来说，如果一个系统支持多个可变功率级的以太网供电 (PoE) 端口，可能需要比电源所能提供更多的短期功率（例如120 % 的额定负载持续 <200 ms），同时符合各个 PoE 端口的功率级。在这种情况下，电源的设计会让它在不触发 OCP 的情况下工作，同时仍为长期过流状态提供短路保护 (SCP)。如果有一个数字控制内核，就可以对这些项目的电源响应进行简便编程，例如RECOM的RACM1200-V电源。

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