电路板设计中的数字电源设计工具和技术介绍

对网络和计算设备的印刷电路板（PCB）进行更多处理始终是“处理能力与功率”悖论。与上一代器件相比，较新的集成电路（IC）设计在相同空间内的处理能力提高了许多倍。这种增强的功能可实现高性能产品，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，IC和功率模块都使用更多的PCB空间。

设计人员如何通过增加处理能力的需求来恢复因电源需求增加而丢失的电路板空间，在GE，我们使用我们称之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）着眼于减少电源模块“足迹”的多种工程方法在印刷电路板上。例如，在降低高度的同时使电源模块更加密集，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转换器一起使用，这些电源模块可以安装在夹层板下面，也可以放在电路板的背面，为更高的组件释放顶板空间。 （见图1）

图1：将GE的SlimLynx™放置在印刷电路板下。

另一种DITNS方法是在同一电源包中包含更多功能。例如，GE的双输出功率模块DualDLynx™（多输出MicroDLynx™器件）在单个封装中提供2 x 6安培或2 x 12安培输出，同时保持两个独立输出的独立控制功能，同时适用于比两个独立模块小25％的空间。 （见图2）

图2：回收电源模块之间“无法使用”的空间。

电路板设计人员面临的挑战许多现代集成电路的动态负载要求或瞬态性能越来越高，因为供电电压越来越低，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），再次节省了宝贵的电路板空间。

图3：对于带有和不带Tunable Loop™的40 A模块，瞬态负载电流为10 A与外部电容的输出电压偏差。

负极的另一种设计空间方法围绕着增加数字电源的使用。在过去的十年中，电源管理总线（PMBus）的广泛采用使得电路板设计人员能够“智能”地控制和监控电路板上的电源。由于大多数主板已经具有某种主机控制器，因此通过PMBus添加功率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。这使设计人员能够将控制和接口功能从硬件转移到软件中，从而释放通常由这些分立电路功能占用的电路板空间。 DLynx系列还使设计人员能够在相同的占位面积内提供模拟和数字POL模块，同时保持相同的基本功率，从而优雅地过渡到数字电源。

数字电源的应用也为电源设计人员提供了能够更好地监控和控制电路行为。特别是，通过高性能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，以及调整警告和关闭限制的能力，有助于设计人员优化电路以提高性能并通过避免成本来降低成本过度指定组件。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。在正常和故障恢复状态下更好地理解电路行为的能力允许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，数字电源可以大大减少开发时间通过提供灵活的电源管理功能，如电压设置，裕度，故障限制，排序等。在许多情况下，如果没有数字控制，电力工程师可能不得不进行组件更改甚至构建另一个原型，从而增加了大量的时间和成本最后，数字控制允许通过使用高分辨率数字电压调整来更严格地控制输出电压，例如，消除制造校准期间由正常元件容差引起的变化。 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调整功能。

面对电路板设计中不断增长的“容量与功耗”挑战，电力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。