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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

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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