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_电力供应网络优化的若干经验规则

随着业界对最大限度地减少和消除浪费的关注,系统设计师有责任优化整个电力体系结构。每个电子设备通常都有电源网络(PDN),其中包括但不限于电缆、总线排、连接器、电路板铜箔电源层、AC-DC和DC-DC转换器以及电压调节器。该网络的每个构件都会因回路、负荷和环境的变化而影响设计功能的好与坏。

过去,电力体系结构是在产品开发的后期阶段决定的,这时空间和选项受到了限制。通过将体系结构设计放置在流程的早期阶段的更积极的方法,可以创建更坚固的系统,以适应开发过程中不断变化的设计规范。

电力设计师往往把重点放在转换上,以最大限度地提高转换效率,并最大限度地降低功耗。主要驱动因素是热量管理。因为转换阶段通常是热负荷的最大来源之一。高功耗需要更复杂、更广泛的冷却方法。这将增加成本和大小,特别是在严酷的环境中。

耗散功率是输入功率和输出功率之间的差异。一种是将电源转换器的额定功率除以十进制等效效率,以确定电源转换器的消耗功率。换句话说,额定功率为100瓦,效率为80%的转换器具有125瓦的输入功率和25瓦的消耗功率。通过这种方式,必须考虑系统的每个组件,以确认系统的总损失。提高效率,只要提高一点,就能大大减少损失。例如,效率增加10个百分点(在本例中增加到90%)可能看不到多少,但功耗可能减少一半以上(从25W减少到11.1W)。

这种效率提高对供电网络有何影响?除了减少转换器的热量影响外,对输入电源的需求也减少了,需要的电源也减少了。此外,这种低功耗意味着给定输入电压时,电源电流更低。根据欧姆定律,功耗可以看作电压和电流的乘积,电阻和电流平方的乘积(P=VI=I2R)。在供电网络的分析中,电阻经常被忽略。从电源到负载的所有路径都有固定电阻。都与整个系统的功耗有关。此外,还要考虑保险丝、断路器、减少电磁干扰、稳定电压的滤波器等作为整体功耗主要来源的安全和稳定性组件。所有这些组件之一的压降损失会降低开关电压调节器的稳定性,并在系统内产生其他问题。

电源波动较大的终端设备(提供网络电源的设备)(如CPU、脉冲负载或马达)可能会导致转换器输入/输出电压发生重大变化。一般来说,转换器遇到的电源阻抗必须比转换器表示的最小阻抗小10倍。

回到效率为90%的100瓦转换器示例,假设此设备的工作输入范围为18 ~ 36V。当输入为18V时,转换器的输出电流约为6.2A。因此,转换器的输入阻抗(R)为V/I或18/6.2=2.9 。在36V时,输入电流为一半,因此阻抗为11.7。转换器的输入阻抗最低时,根据经验,必须确保稳定运行的电源阻抗不超过0.29。

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图1: 1个12V低压PDN为5个独立负载供电。在本例中,负载低电压(小于5VDC),在这些负载和转换器之间流动的电流更大(以粗线表示)。

在设计电力系统时,请注意系统稳定性很重要。这个简单的电阻讨论没有考虑电容和电感等电阻因素。如果不太理解,这些阻力因素会引起共振和其他问题。本文不讨论这些话题。

如何优化与系统功耗相关的PDN?

无论是分析现有设计,还是从头开始创建新模式,方法都是一样的。

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图2:电源电压从12VDC提高到48VDC的PDN。这5个独立负载的电流要求与第一个示例相同。由于电源电压高,从电池流向转换的电流低(用细线表示)。

首先,请使用听起来很清楚,但提供的最有效的转换器。PDN是从实际应用程序加载到第一次转换(包括所有中间转换)的输出,以及从电源到第一次转换的输入。

应用负荷有预定的最低电压要求。现代电子系统的电流需求可能很高,在某些情况下,在低于1V的电压下,电流需求可能超过1000A。为了最大限度地减少这些应用程序的损失,PoL转换器通常放置在电力负荷附近。

PoL可防止转换器和负荷之间的长布线距离。这是普通电源的特点,并提供准确的电压电源,满足低压/大电流要求。PoL应尽可能接近电源负载的物理位置,以最大限度地减少互连阻力。

接近输入方向时,PoL输入电压应尽可能高。考虑为5个独立负载供电的12V低压PDN。在本例中,负载低电压(小于5VDC),在这些负载和转换器之间流动的电流更大。

这些设置可以是现有的计算机电源、车辆电源系统或无人机有效载荷。PoL输入端具有固定的道路电阻,可在指定的工作功率水平上带来特定的功耗。如果我们能以同样的功率将电压提高4倍(即48V),那么这条线路上流动的电流现在是以前的四分之一。因为功率方程中有电流的平方项,所以新的功耗大大降低,电压偏差也降低。

此外,48V是很好的配电电压,因为IEC在安全超低电压(SELV)限制范围内定义为电击危险低。对于现有应用程序,需要不同的PoL来提高电压。在这里,可以轻松地转换使用包大小相同的设备的模块化方法。因为转换器直接替换。

例如:维护无人机电源网络

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图3:需要500瓦功率的机载工具,用于比较每个线程导体的电源电压中的电流、压降和功率减少。以下是从地面电源到机械工具的优化无人机PDN。线程内使用的800V电压最大限度地减少了无人机操作造成的重要传输损失和电压变化。电流明显低于使用低电源电压的电流,因此切换到800V可以使用更小尺寸的导体,优点是线程风偏转和重量减少。

请考虑系留无人机或无人机的更极端的例子,尤其是从电力到第一次转换的影响。线程表示地面电源之间的接口。

假设无人机系统长度为100英尺,包含24A-WG导线,每根导线的电阻约为2.5 /100英尺。48-V配电时,该线程的电流约为10A是。100英尺双向电阻为5,所以线程的耗电量为500瓦!显然,无人机根本无法起飞。因为线程会耗尽所有的电源。飞机没有任何动力。

现在考虑使用更高的输入电压。假设400V系统与上述条件相同。

在400V功率分配中,线程电流下降到约1.25A,线程功耗仅为约8W。将输入增加一倍到800V,线程电流将减少到约0.6A,从而将线程功耗减少到约2瓦。低萃取电流有助于使用更小规格的螺纹导体,因此不仅可以减少阻力和风偏,还可以减少无人机的电力需求。

耗电量很重要,但线程末端的电压调整也很重要。无人机的调节器将有定义的输入电压范围。螺纹阻力有压降。考虑到24A-WG 100英尺的螺纹和5-的往返阻力,每安培电流有5V的压降。此外,降低线路的压降还可以降低压降与所用电压的比率,从而进一步改善电压调节。也就是说,电压翻倍,电流减半,线路的压降也会减半,线程压降与负载电压的比率是四分之一。

显然,将地面电源增加到800V是优化通过线程传输电力的方法。但是无人机必须将这800V的电压降转换为低电压,才能为电机和电子设备供电。在PDN的这一部分,机械电子设备的48V最有意义。原因如上所述。

综上所述,优化PDN的路径可以概括为六个步骤。

01首先考虑电源。如果有初始电源要求,则必须为模块化电源设计留出空间。模块化方法不仅灵活,而且扩展也非常方便。

请注意02电流路径的每个组件。

03使用允许的最大电压减少所需电流。

04使用最有效的转换组件来减少转换损失。

为了接近05负荷布局,请使用最高功率密度的零件。

06最小化互连电阻不仅可以降低压降,还可以降低功耗。

资料来源:Vicor

作者:杰夫汉姆

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