如何设计和管理多轨拓扑电源

关于为当今许多 PC 板和系统提供电源轨，有好消息也有坏消息。首先，好消息是：现在在基于线性(低压差或 LDO)和开关架构的 DC/DC 稳压器和转换器中有许多出色的选择。因此，找到一个具有合适的属性组合的人比以往任何时候都容易。此外，许多在个位数电压下提供低于 5 到 10 A 电流的较小单元很容易使用，并且只需要几个外部无源元件，也许还需要一个 MOSFET。他们详细的数据表解决了与其在标称和极端情况下的静态和动态性能相关的许多问题(如果不是全部的话)。

到目前为止，一切都很好——那么坏消息是什么?就是这样：今天的设计还需要多个 DC 导轨——10 条、12 条，甚至更多并不罕见——平衡作为一个组的导轨的选择可能是一个令人沮丧的问题。如果轨道直流电压不同，则更容易，因为它集中并定义了选择。但是，如果这里需要 2 A 时为 3.3 V ±5%，而那里需要 0.5 A 时为 3.3 V ±2%，该怎么办?您使用一个 2.5 A 稳压器还是两个较小的稳压器?当您需要这里的 1 A 和那里的 1 A 但在两个地方的规格相同时，您会怎么做：您使用两个 1 A 单元还是单个 2 A 设备?

问题在于，随着轨道数量的增加，决策和权衡矩阵变得极其复杂，当然，每个条目都有多个关键参数，例如电压、电流、容差、效率、瞬态性能和成本。您是否选择在某个方面稍好一些但在另一个方面可能稍差的调节器?您如何权衡权衡，尤其是当它们微妙且通常难以量化时?

确定最佳配电拓扑是一项吃力不讨好的任务，因为您认为最佳的方式取决于很多观点和判断。也许在未来的某个时间，人工智能 (AI) 将有助于评估和缩小选择范围，但我怀疑那是一段很长的未来。我见过的可用 CAD 程序当然可以评估给定的方法，但它们不能很好地评估权衡及其技术或美元成本。

挑战变得更加困难，因为答案不仅涉及组件规格本身，还涉及板上的布局和占位面积问题。最有用的工具似乎是旧的备用工具——Excel 电子表格——如果只是为了跟踪评估中的选择并提供基本分析。

在确定了电源轨配电拓扑之后，还有更多的坏消息。对于其中许多轨，它们的开启/关闭顺序以及斜坡速率至关重要。有一些电源管理 IC 可以实现排序，但它们只能做它们被连接起来做的事情。一些 PMIC 仅为硬件，设计人员可以通过几个外部电阻器设置排序顺序和时序。这些一劳永逸的装置没有太大的灵活性，但它们无需软件即可工作，这在某些情况下是一大优势。其他 PMIC 具有内置逻辑，可以执行用户编程的序列。像往常一样，这是灵活性与信心的两难境地。

在定义导轨如何相对于彼此上下倾斜时甚至存在差异。有时只需要一个稳压器的电源良好/不良输出来启用/禁用另一个稳压器，但通常并不是那么简单。考虑只有两个轨的简单情况：它们应该具有顺序、比例和同时时序吗?

在顺序时序中，第二个电源轨仅在第一个电源轨达到其标称调节值后才开启。

在比率计时(中，两个输出电压同时启动，并且两个电压同时达到稳压。它被称为“比率”，因为这两个电压通常不同，因此它们的 dV/dt 斜率不同，但由一个常数因子相关。

最后，在同时启动时，两个输出电压的斜率相同;因此，两个电压在不同的时间达到调节。

这只是其中的三个选项，还有更多。对于运算放大器、处理器、FPGA 和更大、高度集成的 IC 等单个设备，供应商数据表会列出排序和轨道关系(如果没有，那不是一个好兆头)。但是一个有用的电路不仅仅是那些 IC，而且可能存在具有特殊排序需求的整体设计的子部分。因此，设计人员必须确定哪些排序模式对于这些部分是强制性的、首选的和禁止的。

请注意，排序根本不是一个新问题。在高功率真空管的“旧时代”，通过交流或直流加热灯丝通常是一个好主意，从而在施加直流板 (B+) 电压之前从阴极开始发射电子。虽然这样做对于较小的管子来说并不重要，但过早地为较大的管子施加板电压会缩短它们的寿命，甚至可能导致立即烧坏。最初，完成了所需的灯丝板排序，但很快就添加了基于热的计时器，因为由于操作员错误导致昂贵的灯管烧毁的案例太多。

如此多的高性能、小型且易于使用的电源相关 IC 的可用性是一大优势。但目前，他们无法决定整体拓扑、权衡和关系等较为模糊的问题。我怀疑电源拓扑专家将有一段时间的工作保障。

您必须在系统中设计的最大 DC 轨数是多少?您使用了哪些工具(如果有)来评估您的选择然后做出决定?多轨设计中最简单的部分是什么，最难的是什么?