首席應用工程師 Jonathan Siegers 和應用工程師 Vamshi Domudala 撰寫的教程

如何設計模組化 DC-DC 系統，第 5 部分：負載考慮因素

DC-DC tutorial load considerations image

本系列教程前面的內容爲電源模組解決了將其用作完整 DC-DC 電源系統元素時的相關濾波、穩定性及保護問題。該教程重點介紹使用電源模塊設計的系統的負載相關內容。

曾經有可能將 DC-DC 模組提供的負載概念化爲只有電壓和電流要求，從而可有效將其簡化爲一個簡單的黑盒子。但隨着時間的推移，負載變得越來越複雜，如今它們具有許多與供電網絡 (PDN) 相關的特徵。因此，電源系統設計人員必須非常詳細地瞭解負載行爲，才能確定它是否會影響 DC-DC 模組的性能。例如，負載可能會影響模組的控制環路響應，從而影響其穩定調節與執行的功能。此外，負載行爲還可能對模組的瞬態響應能力產生不利影響。

Load system diagram — 每個系統都會涉及一些針對負載的設計考慮因素（系統圖的橙色部分）。

負載的基本類型以及其對控制環路及瞬態響應的影響

負載有三種主要類型：電阻負載，複合型負載，轉換器負載。電阻負載最簡單，對 DC-DC 模組的控制環路或瞬態響應完全沒有影響。由電阻、電感和電容性特徵組成的更復雜負載肯定會影響模組的控制環路穩定性與瞬態響應。但當 DC-DC 模組作爲附加轉換器模塊的輸入時，情況就不那麼明顯了。在這種情況下，上游模組的控制環路穩定性和瞬態響應取決於下游模組的控制環路特徵。除了這些主要的負載類型之外，一些特殊情況還需要更加仔細的分析。

3 basic load types diagram — 電阻負載，複合型負載，轉換器負載。

電感負載帶來 EMI 及性能挑戰

電感負載在關斷情況下爲 DC-DC 電源模組帶來了特殊挑戰。下圖爲簡單的電感器和串聯開關顯示了電感負載特徵。打開開關會非常迅速地切斷從模組到電感器的電流路徑，產生巨大的負電壓尖峯，因爲電感器阻礙了通過它的電流變化。該行爲將導致高頻率噪聲脈衝，可能會在開路開關接觸點間形成電弧。施加到 DC-DC 模組輸出（以及連接至母線的任何其它端口）上的電壓尖峯會影響模組的行爲，而噪聲脈衝則會影響模組的 EMI 及整體性能。解決方案是在電感負載間增加一個續流二極管，爲電感器存儲的能量提供所需的放電路徑。

Inductive loads image — 電感負載具有獨特的特性，會對電源系統設計產能影響，尤其是在斷電時出現的巨大負電壓尖峰。

平均功率有助於爲脈衝負載提供高效的電源設計

脈衝負載的特點是峰值負載電流短，但非常大，其可帶來不同類型的 DC-DC 系統設計挑戰。爲這種負載設計系統的最簡單方法是選擇在脈衝峰值下支持滿負載電流的電源模組。雖然可行，但需要對其需要的電源模組及相關濾波與熱管理組件的重量與成本進行難以抉擇的利弊權衡。

可以使用平均功率技術設計一款成本更低的且更緊湊的系統。平均功率是一項面向峰值負載要求和通斷時間比的功能。平均功率系統設計利用較小的 DC-DC 模組和適當的 PDN 組件儲存大量的能量，以在佔空比關斷時間內將壓降保持在負載的規定容差內。這可針對實際電源需求優化電源系統，而不是針對最壞的情況過度設計系統。

Power averaging technique diagram — 平均功率技術允許設計人員針對在短時間脈衝情況下需要大電流電源的負載優化 DC-DC 系統。

有幾個因素會影響爲平均功率選擇合適的電源模塊。首先，該模組需要有限流或者限功率的功能，才能確保負載的峰值脈衝從位於電源模組輸出端的大容量儲能電容器中抽取能量。其次，DC-DC 模組必須支持使用大容量電容的啓動和工作，因爲根據脈衝負載特徵，可能需要大量的能量存儲。大容量輸出電容也會影響模組穩定性，在系統設計中必須考慮到這一點。

有三個主要考慮因素會影響針對在 PDN 中設計的大容量存儲選擇適當的電容器。首先，額定電壓應約爲系統工作電壓的 140%（或更高）。其次，選擇具有適當溫度分佈的電容器，以便涉及大量熱量的環境條件不會對系統可靠性產生負面影響。最後，將這些性能因素與應用中可接受的電容的物理體積進行利弊權衡。

使用模組化陣列針對大功率負載進行擴展

DC-DC 系統模組化設計方法的主要優勢之一是可擴展性：電源模組不僅可實現電流共享，而且還可在並行使用時提供容錯，從而可在提供更高可靠性優勢的同時，提供大量功率，無需限定一款新的分立式設計。有時可以並行連接電源模組，無需過度關注與其各自控制系統的不良交互，但設計人員應該注意兩個主要的關注點。

首先，相比獨立使用的模塊，在陣列中的模組可能需要進行降額使用。例如，陣列中的模組啓動時，電容可能不會像獨立模組那樣，達到滿負載。其次，可能需要額外的外部控制電路，才能確保遇到故障的模組的關機和重啓行爲不會中斷整個系統。

模組陣列中的電流共享

要充分利用並行連接的模組所提供的功能，系統設計應確保陣列平等共享負載電流。這將通過降低每個模組上的熱應力，最大限度提高陣列的整體可靠性。最簡單的方法是採用下垂均流機制，以便在負載消耗更多的電流時，輸出電壓略有下降，並在模組之間強制均流。一個更高級的方法是添加一個有源的均流控制器，監控每個模組的獨立輸出電流。

去耦噪聲，確保組陣列中的電源質量

模組並聯陣列也需要爲輸入輸出設計濾波器，以確保模組產生的噪聲電流在局部循環，不會對相鄰的模塊產生干擾。如果允許噪聲電流在陣列中自由循環，這些噪聲電流就會造成嚴重的穩定性問題，並對整個系統工作產生不利影響。

Parallel filtering diagram — 在並行陣列中對每個模組的輸入輸出進行濾波，可防止拍頻（用綠色及藍色箭頭表示）在整個陣列中循環，從而導致系統不穩定。

開關噪聲影響系統穩定性的一種方式是在系統的整體開關頻率噪聲剖面中增加一個低頻率噪聲分量。像這樣的拍頻是由甚至存在於相同類型、相同型號的模組中的固有變異性引起的，在現實世界裏更加複雜，理想情況下爲單個較高振幅的紋波，由陣列中所有模塊的開關噪聲共同產生。

爲每個單獨的模組設計並提供輸入輸出濾波的另一個原因是，一個模組產生的正常噪聲，陣列中的另一個模組會感知爲擾動，因此即使負載的行爲保持不變，也會顯著改變該模組的行爲。請回到本系列的第二篇教程，瞭解有關輸出濾波器設計的更多詳情 (第 2 部分)。

針對容錯和冗餘設計陣列

模組的並行陣列也可通過冗餘實現容錯，在成本增加不大的情況下，顯著提高 DC-DC 電源系統的可靠性和穩定性。系統負載可能有單個模組能夠滿足的電源需求，而系統則可通過並行增加另一個模組，實現 N+1 冗餘。多個模組並聯，將實現 N+M 冗餘。

具體實施方案因應用而異，但基本原理是相同的：同時爲各模組的輸出提供 O 型環，以防止故障或短路導致整個陣列關閉。有兩種方法可以實現這一點：在每個模組的輸出端佈置一個串聯二極管或主動控制 MOSFET。串聯二極管將在模組輸出端阻止短路情況，以免影響陣列的其餘部分。儘管如此，但在正常工作時，由於導流時的正向壓降，這會造成一定的功耗。要減少損耗，請使其熱運行，充分利用二極管的負溫度係數。要進一步降低損耗，請使用主動控制 MOSFET 代替二極管：其功能與二極管相同，但不怎麼影響效率。

Redundant array diagram — 有兩種選項，可爲冗餘陣列的模組提供 O 型環，以確保一個模組的故障不會導致整個系統癱瘓：串聯二極管和主動控制 MOSFETS。

模組化電源只會越來越好！

負載對電源的要求越來越高，使得分立式解決方案的設計隨着時間的流失，越來越麻煩，其壓力包括更高的功率、更高質量的電源、更高的效率、可擴展性、緊張的設計時間安排，以及大量其它挑戰。模組化電源設計方法具有明顯的優勢，有助於電源設計人員跟上發展的步伐，但使用電源模組進行設計，需要從不同的角度思考問題並使用一些新的工具和技術。抽時間瞭解模組化方法顯然是值得的，因爲電源模組正穩步變得更小、更高效、功能更強大。

本系列教程從頭到尾概括介紹了使用模組設計 DC-DC 電源系統的整個過程：從基本電源系統架構 (第 1 部分) 到噪聲過濾與穩定性注意事項 (第 2 部分), (第 3 部分), 再到安全要求 (第 4 部分) 最後是本教程中與專業負載及並聯陣列相關的特殊因素。按照這種方法操作的設計人員將能夠爲日新月異化的技術提供高質量的穩定電源。