深入探討電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

本播客最初由 All About Circuits 發(fā)表

(以下為中譯)

隨著汽車電氣化程度的提高，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重視程度也得到了前所未有的提升。一輛電動(dòng)汽車的耗電量比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車高 20 倍。這一功耗的增加，需要增加電源電子產(chǎn)品的相應(yīng)尺寸和重量，這將限制汽車的行駛里程。Vicor 高功率密度解決方案可通過使用緊湊型高功率密度模塊，大幅降低電源電子產(chǎn)品的尺寸，使其比同類競爭產(chǎn)品小 60-70%，從而可為供電網(wǎng)絡(luò)節(jié)省空間和重量。

在本次 Moore's Lobby 播客節(jié)目中，主持人 Dave Finch 與 Vicor 應(yīng)用工程總監(jiān) Paul Yeaman 以及特斯拉工程師 Milovan Kovacevic 深入探討了電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以及特斯拉在汽車電氣化方面所面臨的挑戰(zhàn)。

DAVE FINCH:

歡迎回到 The Lobby。如果成功的汽車電源電子設(shè)計(jì)取決于電源質(zhì)量、熱管理性能、噪聲特性和尺寸，可能就有必要了解電源模塊的優(yōu)缺點(diǎn)。Vicor應(yīng)用工程總監(jiān) Paul Yeaman 針對高低壓汽車電子產(chǎn)品介紹了這些符合規(guī)范要求的高效率解決方案。

當(dāng)我開始思考，假設(shè)我們通過一個(gè)電壓極高的電池開始啟動(dòng)，我們要將電壓降壓轉(zhuǎn)換至每秒 48V，可能是 12V，然后繼續(xù)向下轉(zhuǎn)換，但我馬上開始意識到：天啊!每次這么操作時(shí)，都會(huì)有損耗。對于電動(dòng)汽車應(yīng)用，我開始考慮會(huì)導(dǎo)致汽車更短的行駛里程。我也開始考慮額外的重量問題。我注意到，你們的開關(guān)轉(zhuǎn)換器達(dá)到了 96%、97% 以上的效率。

PAUL YEAMAN:

是的。首先，使用更高電壓(48V，而不是12V)的原因之一是為了限制配電損耗，即通過汽車底盤或任何類型的系統(tǒng)提供大電流而產(chǎn)生的電阻損耗。

改用更高電壓的問題是，你本質(zhì)上需要降壓轉(zhuǎn)換至所需電壓，因此重要的是，你的轉(zhuǎn)換損耗必須小于在低壓、大電流的配電損耗。這實(shí)際上代表了一種選擇，是在整個(gè)系統(tǒng)中使用12V的電壓，還是在 48V 存能并降壓轉(zhuǎn)換為 12V。也就是說，在什么情況下一種方式比另一種方式更加合理。

再多聊一聊效率為 97-98% 的轉(zhuǎn)換器。從根本上推動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)越來越高的效率，是其中的一種方法，這種方法更有利于轉(zhuǎn)換，而非配送更低電壓?，F(xiàn)在，在某些方面，電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的有些東西是永遠(yuǎn)也不會(huì)改變的。其中一個(gè)就是銅箔。沒有比銅效率更高的材料。

而有些產(chǎn)品正在迅速改變。我認(rèn)為 MOSFET 就屬于這一類。如果以硅芯片 MOSFET 為例，然后看看一些后續(xù)幾代硅芯片 MOSFET，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們一如既往地得到更低 Rd (on) 和更低柵極電荷，這就意味著在高效轉(zhuǎn)換方面有更高的靈敏度。

如果你再看看新興技術(shù)，比如碳化硅，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這類新興寬帶隙器件在性能方面有顯著進(jìn)步，我相信你已經(jīng)聽說過很多了，而且我相信你已經(jīng)邀請過播客嘉賓來討論了很多寬帶隙技術(shù)的優(yōu)勢。所以，在 MOSFET 方面，有很多的創(chuàng)新和發(fā)展。

Vicor 與之相匹配的地方，也就是 Vicor 研究創(chuàng)新的地方是在拓?fù)鋵用?。換句話說，我們將充分利用后續(xù)每一代更好的新興 MOSFET。但我們也在研究如何更高效地將電力從一種電壓轉(zhuǎn)換為另一種電壓或?qū)ζ溥M(jìn)行穩(wěn)壓。我們在關(guān)注電源拓?fù)涞目刂疲热缌汶妷洪_關(guān)和零電流開關(guān)，這些都是控制技術(shù)，允許你在可最小化開關(guān)損耗的位置開啟和關(guān)閉 MOSFET。

類似銅箔和 MOSFET的矛盾，磁性材料也有這種問題。有一些關(guān)于磁性材料的東西是不會(huì)改變的。它們是材料本身固有的。但與此同時(shí)，在材料方面還有很大的創(chuàng)新空間，我們可以開發(fā)出更好的磁性材料，代表著更低損耗，或者可在更高開關(guān)頻率下提供更低損耗等等。

DAVE FINCH:

是的，你提到了更高開關(guān)頻率，這很有趣，因?yàn)檫@也讓我想知道咱們是如何使用咱們的調(diào)制方法的，例如，從電路中收集某種反饋來做出非常及時(shí)的反應(yīng)和調(diào)整。只考慮組件的原始物理特性時(shí)，這類情況是否會(huì)起作用，還是說可以忽略不計(jì)?

PAUL YEAMAN:

好的，這個(gè)問題問得很好。關(guān)于高開關(guān)頻率的問題是，高開關(guān)頻率實(shí)際上可以追溯到銅箔困境，對吧?同樣，我們不會(huì)提高銅箔的效率。我們能否從根本上解決這一難題的關(guān)鍵是，我們能否構(gòu)建一款電源轉(zhuǎn)換器，可使用較少的銅箔將電力從輸入端傳到輸出端。我們能讓轉(zhuǎn)換器更小、更高效嗎?

因?yàn)槿绻憧紤]，例如，一個(gè)纏繞著電感器或變壓器的線圈，線圈的整個(gè)長度都是銅的。該線圈的長度與其將具有的電阻成正比，而且電阻實(shí)質(zhì)上是一種我們無法改變的物理因素。我們無法改變銅的電阻系數(shù)。但如果我們能讓該電感器或變壓器變小，我們就能讓該長度(線圈的路徑長度)變短。由此我們可以構(gòu)建一款電阻損耗更低的系統(tǒng)，即使我們?nèi)匀皇褂孟嗤牟牧蟻韨鬏旊娏σ矝]問題。

高開關(guān)頻率是構(gòu)建更小轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵，因?yàn)槿绻褂酶叩拈_關(guān)頻率，你的變壓器、電感器和任何保存感應(yīng)能量的器件等儲(chǔ)能元件均可縮小，而且其中的電容器也可縮小。開關(guān)頻率更高，而且能夠縮小器件，這就意味著能夠使它們更小，也就是說能夠使用更少的銅箔并具有更低的電阻損耗。

更高的開關(guān)頻率帶來的問題是，開關(guān)頻率越高，產(chǎn)生的開關(guān)損耗就越多。以更快的速度打開和關(guān)閉 MOSFET，如果系統(tǒng)中有大量開關(guān)損耗，你從更小部件獲得的任何增益都會(huì)快速被抵消。

這就是Vicor研究推動(dòng)零電壓及零硬開關(guān)的控制技術(shù)與拓?fù)涞脑?，因?yàn)槿绻芟拗苹蛳娫崔D(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗，就解決了開關(guān)頻率和開關(guān)損耗之間的矛盾。然后你就可以縮小產(chǎn)品尺寸，并獲得效率優(yōu)勢。在電源電子產(chǎn)品領(lǐng)域面臨這種問題時(shí)，這是一個(gè)完美的例子。

DAVE FINCH:

的確如此。在不同的頻率下，你是否發(fā)現(xiàn)噪聲會(huì)在特定頻率范圍內(nèi)放大或最小化，亦或者它只是不受頻率影響的開關(guān)噪聲?

PAUL YEAMAN:

所以某些類型的噪聲，例如，另一個(gè)表示零電壓和零硬開關(guān)的術(shù)語是軟開關(guān)，對吧?我想這背后的物理原因是，如果你采用的是硬開關(guān)，盡可能保持低開關(guān)損耗的方法就是盡快打開和關(guān)閉開關(guān)。

換句話說，如果你把 MOSFET 看作可變的電阻，當(dāng) MOSFET 完全打開時(shí)，電阻非常低，你的損耗也就非常低。當(dāng) MOSFET 關(guān)閉時(shí)，沒有電流流過，電阻很高。這里的損耗為零。在這段時(shí)間內(nèi)，MOSFET 從一個(gè)電阻過渡到另一個(gè)電阻，就會(huì)出現(xiàn)大部分損耗。所以，如果你對一個(gè)器件執(zhí)行硬開關(guān)而且你沒有采用零電壓或零硬開關(guān)，就得盡快通過該區(qū)域。

任何時(shí)候你拿到一個(gè)帶電的東西，通過電路中的電感和寄生效應(yīng)將電壓或電流快速從一個(gè)點(diǎn)發(fā)射到另一個(gè)點(diǎn)時(shí)，實(shí)際上就是將能量發(fā)射到系統(tǒng)的其它區(qū)域。這實(shí)際上就是電磁干擾或傳導(dǎo)噪聲的起源。

根據(jù)定義，如果你硬開關(guān)某些器件，就會(huì)有更多與之相關(guān)的噪聲。在你對某個(gè)器件執(zhí)行軟開關(guān)時(shí)，首先，如果其兩端的電壓為零，就不需要快速改變電壓或電流，因?yàn)楸举|(zhì)上在那個(gè)點(diǎn)，在那個(gè)零電壓點(diǎn)上沒有電壓，沒有強(qiáng)制通過該可變電阻的電流。這可能是一種比較簡化的理解方法，但我覺得其實(shí)還很貼切。

因此從根本上講，我們說的軟開關(guān)實(shí)際上就是討論慢開關(guān)的問題。慢速開關(guān)時(shí)，就不會(huì)有寄生尖峰電壓或電流，它們不僅會(huì)噴射到系統(tǒng)的其它區(qū)域，而且還會(huì)引起噪聲。

這并不是說任何軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器都完全沒有噪聲。我是說還有其它噪聲來源。但是如果你用一個(gè)硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)零電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器并比較這兩款轉(zhuǎn)換器的噪聲特征，你會(huì)發(fā)現(xiàn)軟開關(guān)和硬開關(guān)帶來的結(jié)果會(huì)有很大的不同。

DAVE FINCH:

你在之前的交談中提到了一件事，那就是電源質(zhì)量。無論作為 Vicor 的員工，還是一名電源管理工程師，你在解決哪類電源質(zhì)量問題?

PAUL YEAMAN:

是的，所以我認(rèn)為有很多不同的東西適用于不同的行業(yè)。我提到電源質(zhì)量時(shí)，我實(shí)際上指的可能是很多不同的東西。

其中之一是 EMI，也就是說電源有多清潔?在你的電源轉(zhuǎn)換器工作時(shí)，有多少噪聲耦合在你的無線電中，或者有多少噪聲干擾了 Wi-Fi 信號等，大家知道，這對系統(tǒng)其余部分功能而言，真的是非常重要。

但我指的也是負(fù)載處理電壓變化的能力?；氐轿覀冎暗?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/" target="_blank">話題，從 48V 到 12V 的降壓轉(zhuǎn)換與只在系統(tǒng)中使用 12V 配電之間的界線在哪里，應(yīng)該怎樣劃分?其中之一是，整個(gè)系統(tǒng)中配送的電流增加而電源質(zhì)量降低時(shí)，能夠提供抗干擾電壓就有很多優(yōu)勢。電源質(zhì)量的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)是能夠開發(fā)一個(gè)可提供極具抗擾性電壓電源的系統(tǒng)，其可處理負(fù)載提供的任何類型的電壓轉(zhuǎn)換率。

例如，我們先暫停一會(huì)兒汽車的話題，了解一下計(jì)算機(jī)方面的事情，微處理器需要能在幾微秒內(nèi)處理數(shù)萬安培電流變化的電壓源。這種電壓轉(zhuǎn)換率要求在極高的頻率下提供極低的阻抗。負(fù)載階躍 70mV 的電壓偏差與 75mV 之間的差異，可能就是正常工作的處理器與死機(jī)藍(lán)屏之間的差異。在這種情況下，電源質(zhì)量非常重要，你需要一個(gè)電源，既可為任何負(fù)載供電，也可為負(fù)載可能遇到的任何瞬態(tài)供電。

DAVE FINCH:

我接下來提出的問題是熱管理必須能夠管理這樣的動(dòng)態(tài)負(fù)載。對于你們生產(chǎn)的模塊來說，這又是一個(gè)很好的例子，比如，伙計(jì)，他們是如何把這么高的性能塞到如此緊湊、輕量級的產(chǎn)品中，卻沒有帶來困擾大量系統(tǒng)的散熱問題?

PAUL YEAMAN:

好的，這個(gè)問題問得很好。我認(rèn)為這可能有兩個(gè)因素。其中一個(gè)因素可歸結(jié)于尺寸。你構(gòu)建的器件越小，就可以把熱源放得離能夠?qū)⑦@種熱量從器件中傳導(dǎo)出去的表面越近。因此，你可以考慮將電源放在一個(gè)龐大盒子里，MOSFET 埋在這個(gè)位于印刷電路板上的盒子中。你需要將其連接在散熱片上，然后需要提供一款能讓氣流通過該散熱片的風(fēng)扇，把 MOSFET 的熱量散發(fā)出去。如果你看看 Vicor 是如何最大限度縮小電源組件尺寸的，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在我們在處理電源的 MOSFET 和我們的封裝或組件的表面之間有 1 毫米的間隔。

第二個(gè)是，我猜你會(huì)說，母性和蘋果派，也就是說，如果你做了一款更高效的電源轉(zhuǎn)換器，首先你需要去除的熱量就更少了。這是另一種更直接解決熱問題的方法，一開始就降低損耗。

DAVE FINCH:

對的。你知道，讓我震驚的是，使用像模塊這樣的解決方案的真正強(qiáng)大之處在于，似乎你再也不用成為一個(gè)擁有終身專業(yè)技術(shù)的人，也能獲得抗擾度極高、響應(yīng)性很強(qiáng)的極清潔電源。

不過第二點(diǎn)是，該解決方法必須獲得某些認(rèn)證。這似乎也是一種優(yōu)勢。如果你是一位設(shè)計(jì)工程師，你可買一款模塊，所有這些設(shè)計(jì)專業(yè)技術(shù)的生命周期都融入到該模塊中，而且經(jīng)過認(rèn)證。(笑聲)所以一開始這看起來就像是一個(gè)極具誘惑力的提議。

PAUL YEAMAN:

是的。我的意思是，我喜歡這樣看或者說我喜歡這樣想，那是我們客戶的工程師——我們并不是要搶他們的飯碗。我們正在努力做的工作是，我們正在解決，并且非常有效地解決電源挑戰(zhàn)，否則他們就得隨時(shí)自行解決這些問題?？蛻舨挥冒踪M(fèi)力氣做重復(fù)工作，他們可專注于他們在其系統(tǒng)中遇到的獨(dú)特挑戰(zhàn)，而不必?fù)?dān)心這種可以解決的電源轉(zhuǎn)換，這些挑戰(zhàn)可以在全球范圍內(nèi)解決并真正適用于各種系統(tǒng)。

你完全是對的，汽車電源與微處理器電源或工業(yè)機(jī)器人電源相比，需要達(dá)到不同的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)將各不相同，而且也是行業(yè)獨(dú)有的。但從某種程度上講，所有這三個(gè)行業(yè)都需要電壓、電流以及一定程度的電源、電源質(zhì)量和清潔度以及抗擾性，這樣才能讓我們解決整個(gè)電路板上這些全局性挑戰(zhàn)，因此，客戶才能集中精力解決對其系統(tǒng)及行業(yè)都非常特別的挑戰(zhàn)。

DAVE FINCH:

再次真誠地感謝我們的嘉賓 Milovan Kovacevic 和 Paul Yeaman，感謝你們本周從家里的辦公室來到這里，讓我對電源電子產(chǎn)品有了更多的認(rèn)識。

Paul Yeaman 與行業(yè)中的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者廣泛合作，開發(fā)和實(shí)施了系統(tǒng)中領(lǐng)先的電源解決方案，這些解決方案滿足行業(yè)中最嚴(yán)苛的電源需求。由于經(jīng)常接觸新技術(shù)帶來的電源挑戰(zhàn)，Paul 了解電源行業(yè)的廣泛趨勢，并致力于確保創(chuàng)新者能夠整合電源解決方案以滿足這些需求。Paul 在電力電子行業(yè)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用工程領(lǐng)域有 20 多年的經(jīng)驗(yàn)。

原文標(biāo)題：特斯拉與 Vicor 討論如何在汽車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中做出重要利弊權(quán)衡

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審核編輯：湯梓紅