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使用分布式电源架构进行设计

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标签: 开关电源

开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。

1980年代安静的设计革命之一是在各种复杂的电子系统中分布式电源架构的快速增长。分布式电源架构用单个大容量电源替代了多个中央电源,该大容量电源通过位于需求点的DC-DC转换器转换为最终使用电压。  DC-DC转换器市场的规模证明了这种设计技术的增长。航空电子行业首次大规模使用分布式电源,它具有更小的尺寸,更轻的重量,更好的电池电源操作以及更有效的子系统隔离以及冗余。随着航空电子设计师用越来越复杂的电子设备取代液压系统,对不同电压和功率水平的需求迅速增加。分布式电源网络使工程师可以从单个28伏总线和中央电池组为所有子系统供电,而不是在整个电压水平上运行冗余接线机身。除了节省重量和空间之外,该体系结构还使设计和升级单独的子系统变得更加容易,而无需对整个系统的布线进行全面更改。转换器的使用也使控制电源质量变得更加容易。尽管输入电压和负载有波动,dc-dc转换器仍可提供非常紧密的输出电压调节,这是许多敏感子系统的重要功能。分布式电源带给高可靠性程序的另一个重要优势是隔离。由于开关式DC-DC转换器在转换过程中使用变压器,因此它们提供了电气隔离,从而易于构建冗余并保护整个系统免受隔离故障的影响。尽管电源ICscan可以执行某些转换和调节任务,但由于它们无法提供相同的隔离级别,因此在可预见的将来,分布式电源架构可能仍将依赖dc-dc转换器。航空电子程序中无处不在。例如,Interpoint是专门从事高可靠性程序转换器的首批公司之一,实际上为波音,麦道公司和空中客车公司制造的每架客机,航天飞机,隐形轰炸机,F-14,F-16,  F-18和Miragefighters,以及直升机和导弹系统。分布式电源的设计优势已帮助其扩展到工业控制,汽车应用,计算机系统,医疗电子,电信以及使用复杂系统的各种应用,这些应用需要多个电源和电压电平,轻巧的重量或备用电池。进入电子系统的组件种类的根本变化也为分布式电源提供了动力。在过去的十年中,IC集成度以指数级增长,其中CMOS成为新VLSI系统最常用的技术。在整个系统中使用CMOS器件时,许多板需要5伏以及12或15伏。这意味着需要更多的中央电源,并且它必须向更大比例的系统板提供更多的电源。CMOS的电气特性使中央电源系统的设计变得复杂。  CMOS电路在开关期间通过对寄生电容进行充电和放电来使用电源,从而导致阶跃功能负载发生变化。通过将电源放在需要的地方,而不是在低压集中式电源中,可以将来自分配路径电感以及背板和连接器引脚阻抗的潜在问题最小化。随着高级半导体器件的发展,这些问题变得更加重要,这些高级半导体器件要求电网提供更低的电压和更高的性能。图1是两种版本的典型电子系统的简化框图,一种使用集中式电源,另一种使用分布式电源。在每个系统中,逻辑分布在六个板之间,每个板都需要特定的功率水平和一个或多个不同的电压水平。

One  of  the  quiet  design  revolutions  of  the  1980s  was  the  rapidgrowth  of  distributed  power  architecture  in  a  wide  variety  of  complexelectronic  systems.  Distributed  power  architectures  replace  multiplecentral  power  sources  with  a  single  bulk  supply  that  is  convertedto  the  end-use  voltages  by  dc-dc  converters  located  at  the  point  ofneed.  The  growth  of  this  design  technique  is  demonstrated  by  thesize  of  the  dc-dc  converter  marketThe  first  large-scale  use  of  distributed  power  was  in  the  avionicsindustry,  where  it  provides  smaller  size,  lighter  weight,  betteroperation  with  battery  power  and  more  efficient  sub-system  isolationand  redundancy.  As  avionic  designers  replaced  hydraulic  systemswith  increasingly  complex  electronics,  requirements  for  differentvoltage  and  power  levels  increased  rapidly.Distributed  power  networks  let  engineers  power  all  the  sub-systemsfrom  a  single  28-volt  bus  and  a  central  battery  bank  rather  thanrunning  redundant  wiring  for  each  voltage  level  throughout  theairframe.  In  addition  to  saving  weight  and  space,  this  architecturemade  it  easier  to  design  and  upgrade  separate  sub-systems  withoutmaking  wholesale  changes  to  overall  system  wiring.  The  use  ofconverters  also  made  it  easier  to  control  the  quality  of  power.  dc-dcconverters  can  provide  very  close  regulation  of  output  voltages  inspite  of  fluctuations  in  input  voltage  and  load,  an  important  featurefor  many  sensitive  sub-systems.Another  important  advantage  that  distributed  power  brought  to  highreliability  programs  is  isolation.  Since  switching  dc-dc  convertersuse  transformers  in  the  conversion  process,  they  provide  electricalisolation,  making  it  easy  to  build  in  redundancy  and  to  protect  wholesystems  from  effects  of  isolated  failures.  Even  though  power  ICscan  perform  some  of  the  conversion  and  regulation  tasks,  becausethey  cannot  provide  the  same  isolation  levels,  distributed  powerarchitectures  are  likely  to  depend  on  dc-dc  converters  for  theforeseeable  future.Distributed  power  is  everywhere  in  avionic  programs.  Interpoint,  forexample,  one  of  the  first  companies  to  specialize  in  converters  forhigh  reliability  programs,  provides  dc-dc  converters  for  virtually  everyairliner  made  by  Boeing,  McDonnell  Douglas  and  Airbus  Industries,the  space  shuttle,  Stealth  bomber,  F-14,  F-16,  F-18  and  Miragefighters,  as  well  as  helicopter  and  missile  systems.  The  designadvantages  of  distributed  power  have  helped  it  spread  to  industrialcontrols,  automotive  applications,  computer  systems,  medicalelectronics,  telecommunications  and  every  application  that  usescomplex  systems  with  a  requirement  for  multiple  power  and  voltagelevels,  light  weight,  or  battery  back-up.Today,  the  shift  toward  distributed  power  is  also  being  fueledby  fundamental  changes  in  the  kinds  of  components  going  intoelectronic  systems.  For  the  last  decade,  levels  of  IC  integration  haveincreased  at  exponential  rates,  with  CMOS  emerging  as  the  mostcommon  technology  for  the  new  VLSI  systems.  With  CMOS  devicesthroughout  a  system,  many  boards  require  5  volts  as  well  as  12  or15  volts.  This  means  that  one  more  central  power  supply  is  required,and  it  must  supply  more  power  to  a  greater  percentage  of  a  system’sboards.CMOS  presents  electrical  characteristics  that  complicate  the  designof  central  power  systems.  CMOS  circuits  use  power  during  switchingby  charging  and  discharging  parasitic  capacitances,  causing  stepfunction  load  changes.  By  placing  the  power  supply  at  the  point  ofneed  rather  than  in  a  low-voltage  centralized  power  supply,  potentialproblems  from  distribution  path  inductances  and  back-panel  andconnector  pin  impedances  are  minimized.  These  issues  havebecome  even  more  important  with  the  development  of  advancedsemiconductor  devices  which  require  even  lower  voltages  and  higherperformance  from  the  power  network.Figure  1  is  a  simplified  block  diagram  of  a  typical  electronic  systemin  two  versions-one  using  centralized  power  supplies  and  a  secondusing  distributed  power.  In  each  system,  the  logic  is  distributedbetween  six  boards,  each  with  a  requirement  for  a  specific  powerlevel  and  one  or  more  different  voltage  levels.

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