如何利用负空间设计减少PCB 空间电源模块“占地面积”问题

　　　　作者：V. Joseph Thottuvelil 和 Vesa Jokitulppo，GE Energy Connections 的工业解决方案

          在网络和计算设备的印刷电路板 （PCB） 上获得更多处理始终是“处理能力与功率”的悖论。较新的集成电路 （IC） 设计在相同空间内的处理能力比上一代设备高出数倍。这种增强的功能支持高性能产品，例如具有额外交换容量的软件定义网络 （SDN） 交换机或具有更快吞吐量的自动测试设备 （ATE） 设备。然而，更高的处理能力也可能意味着更高的功率要求，因为 IC 和电源模块都使用更多的 PCB 空间。

　　设计人员如何才能恢复因对处理能力的需要而不断增加的功率要求而损失的电路板空间？在GE，我们根据我们称为“负空间设计”的原则来研究这些挑战的解决方案。

　　负空间设计（DITNS） 着眼于多种工程方法来减少印刷电路板上的电源模块“占地面积”。例如，使电源模块更密集，同时降低其高度，使设计人员能够将它们放置在以前无法使用的空间中。我们看到这种方法与 GE 的低高度SlimLynx™系列负载点 （POL） 或 DC/DC 转换器、适合夹层板下方或可放置在板背面的电源模块一起使用，为更高的组件腾出顶部空间。（见图1）

　　图 1： 将 GE 的 SlimLynx™ 放置在印刷电路板下方。

　　另一种 DITNS 方法是在同一个电源包中包含更多功能。例如，GE 的双输出电源模块DualDLynx™（多输出MicroDLynx™器件）在单个封装中提供 2 x 6 amp 或 2 x 12 amp 输出，同时保持两个独立输出的单独控制功能，同时适合空间比两个单独的模块小 25%。（见图2）

　　图 2：回收电源模块之间的“不可用”空间。

　　电路板设计人员面临的一个持续挑战是许多现代 IC 对动态负载要求或瞬态性能的要求越来越高，因为供电电压越来越低，而 IC 电流越来越高，以支持更高的处理能力。GE 的专利Tunable Loop™ 技术能够以最少的输出电容满足严格的目标瞬态规范（图 3），再次节省宝贵的电路板空间。

　　图 3：对于具有和不具有 Tunable Loop™ 的 40 A 模块的情况，由于 10 A 瞬态负载电流与外部电容导致的输出电压偏差。

　　负空间中的另一种设计方法围绕着增加数字电源的使用。在过去十年中，电源管理总线 （PMBus） 的广泛采用使电路板设计人员能够“聪明”地控制和监控电路板上的电源。由于大多数电路板已经具有某种主机控制器，因此通过 PMBus 添加电源控制功能是一个简单的扩展。GE 的数字 DLynx DC/DC 转换器系列是第一款支持 PMBus 数字功能的主流 POL 产品。这允许设计人员将控制和接口功能从硬件转移到软件中，从而腾出通常由这些分立电路特性占用的电路板空间。DLynx 系列还使设计人员能够通过在相同的占位面积中提供模拟和数字 POL 模块来优雅地过渡到数字电源，

　　数字电源的应用还使电源设计人员能够更好地监控和控制电路行为。特别是，借助高性能 IC 负载、输出电压的高精度控制、电流、电压和温度的精确数字遥测，以及调整警告和关断限制的能力，有助于设计人员优化电路以提高性能并通过避免过度指定组件。它还通过提供易于使用的扩展监控和记录功能来促进开发过程。更好地理解正常和故障恢复状态下的电路行为的能力允许在原型之间以及从一代产品到下一代产品的快速开发。

　　特别是在具有多个电压轨的复杂电源设计中，数字电源可以通过提供灵活的电源管理功能（如电压设置、裕量、故障限制、排序等）来显着缩短开发时间。在许多情况下，如果没有数字控制，电源工程师可能会进行组件更改甚至构建另一个原型，这会增加大量时间和成本。

　　最后，数字控制允许通过使用高分辨率数字电压微调来更严格地控​​制输出电压，例如，消除制造校准期间正常组件容差导致的变化。GE 将这种方法用于我们的许多电源模块，并与其他电路板设计人员和制造商共享这种数字微调功能。

　　面对电路板设计中日益增长的“容量与功率”挑战，电源工程师现在可以利用一系列负空间设计方法，以及一系列新的数字电源设计工具和技术。

　　有关 GE 负空间设计的更多信息，请观看此视频系列：负空间设计简介、机械约束、特征约束、热约束和配电约束。