Vicor Corporation · NASDAQ:VICR
Vicor — Technical Presentation (2019)
47 slides from Vicor's technical presentation, Oct 29, 2019
Slide 1: 正确完成模块化 DC-DC 系统设计
正确完成模块化 DC-DC 系统设计 吴际 高级现场应用工程师 ©2019 Vicor 1
Slide 2: 目录
目录 DC-DC 模块 – 系统设计过程与实例 系统集成与支持电路 – 电源与去耦 – 输入滤波器与稳定性分析 – 输出滤波器与瞬态响应 – 特殊负载注意事项 – 安全保护 – 电流共享与容错阵列 – 信号与 I/O ©2019 Vicor 2
Slide 3: DC-DC 电源模块
DC-DC 电源模块 高性能 灵活性 更快速度的开发 在现代系统中，可靠高效地 模块化是一项重要优势，可 使用电源系统构建的构建块 供电至关重要。 为快速、可靠地构建复杂电 方法缩短设计时间 提供各种类型的模块，从而 源系统架构提供高度的灵活 最大限度降低技术风险 性 可提供支持高效率和优异动 态性能的合格功率密度解决 解决方案可轻松扩展，充分 方案 满足设计需求 系统设计周期后期的工作需 求改变，可使用封装兼容的 器件轻松补救。 ©2019 Vicor 3
Slide 4: 系统设计过程
系统设计过程 确定系统需求和模块选项 开发系统架构并选择电源 模块和支持电路的实施 高水平定义工作系统 组件，以满足转换需求 完成模块配置 查看可用的电源组件和模块 这是从一次电源到负载的完 确定用于连接模块和执行特 整系统设计，还是现有系统 定功能所需的电路 组织和分类系统的输入输出 新增的一个分支？ 利用可用的模块制定供电策 略并构建方框图 ©2019 Vicor 4
Slide 5: 确定系统需求：DC-DC 系统必须满足什么工作条件？
确定系统需求： DC-DC 系统必须满足什么工作条件？ 将系统工作电压、电流 输出号 VIN VOUT IOUT 说明 及功率级列成表格 跟踪所有所需的特殊调 严格的稳压， 200A 峰值电 节范围或操作功能、排 1 1.2V 120A 流 序需求和冗余要求等。 电流调整、负载规范可能会 2 2.2V 60A 改变 384VDC 3 3.3V 7.5A (n+1) 4 5V 20A 5 24V 12A 6 48V 16A ©2019 Vicor 5
Slide 6: 系统架构与方框图
系统架构与方框图 开始布局系统输出 ？ 1.2V 、 130A ？ 2.2V 、 60A ？ 3.3V 、 7.5A ？ 5V 、 20A ？ 24V 、 12A ？ 48V 、 16A ©2019 Vicor 6
Slide 7: 系统架构与方框图
系统架构与方框图 VTM 对系统进行分区并确定电源模块类型 PRM 1.2V 、 130A – 考虑系统的物理约束，包括： VTM 电源模块位置的可用空间 对隔离的需求 特殊的 PDN 架构 PRM VTM 2.2V 、 60A 48V niPOL 3.3V 、 7.5A niPOL 5V 、 20A DC/DC 24V 、 12A 384V DC/DC 48V 、 16A DC/DC ©2019 Vicor 7
Slide 8: 系统架构与方框图
系统架构与方框图 VTM 返回输入，使用数据表效率估算来计算上游 90.3% PRM 1.2V 、 130A VTM 转换功率需求。 89.7% BUS PRM VTM 2.2V 、 60A 96.2% CONV 48V 、 8.9A 88.6% BUS niPOL 3.3V 、 7.5A CONV 4.2A 92.2% 384V (N+1) niPOL 5V 、 20A 92.0% DC/DC 24V 、 12A 384V 、 3.0A DC/DC 91.5% 48V 、 16A DC/DC ©2019 Vicor 8
Slide 9: 系统架构与方框图
系统架构与方框图 VTM 改善系统效率估算并纳入最近的功率需求修改 90.3% PRM 1.2V 、 130A VTM VTM 90.5% BUS PRM 2.2V 、 120A CONV VTM 96.9% 48V 、 12A 88.6% BUS niPOL 3.3V 、 7.5A CONV 4.6A 92.2% 384V (N+1) niPOL 5V 、 20A 92.0% DC/DC 24V 、 12A 384V 、 3.0A DC/DC 91.5% 48V 、 16A DC/DC ©2019 Vicor 9
Slide 10: 实现与辅助支持电路
实现与辅助支持电路 模块或模块组合不是一个完整的电源系统 符合 EMI 标准，需要增加滤波 保护范围通常很窄，仅限于该模块 电源及负载特征决定去耦需求 专用负载和动态响应特征 高可靠性应用的冗余需求 与系统控制器的连接和电源时序 ©2019 Vicor 10
Slide 11: 还需哪些完善？
还需哪些完善？ 1. 电源及 ZIN_CONVERTER 8. 输出线路阻抗 电源阻抗 3. 安全性 5. 输入滤波器 7. 输出滤波器 R2 Isolated DC-DCConverter Lin Rin Ld Rd F1 Ld Rd +IN +OUT L2 CY1 CY1 L CDECOUPLE Transient + O C3 Suppression C3 - Vin C4 A Circuit D RESR_Decouple CY2 CY2 -IN -OUT T1 CPara Ld Rd Ld Rd EMI GND EMI GND 4. 去耦电容器 6. 保护 2. 输入线路阻抗 Con
Slide 12: 电源互连
电源互连 ©2019 Vicor 12
Slide 13: 定义电源
定义电源 了解 DC 电源的特征，是确保系统性能和稳定性的关键 大信号特征 – 提供的电源 – 供电电压范围 – 压降过程中的行为或其它非线性行为 小信号特征 – 电源的输出阻抗 – 互联配电路径的输出阻抗 ©2019 Vicor 13
Slide 14: ©2019 Vicor
VICOR apd ©2019 Vicor
Slide 15: 滤波：何为电源系统中的噪声源？
滤波： 何为电源系统中的噪声源？ 开关作用及寄生现象容易产生开关噪声电流 – 开关频率的噪声 – 奇次谐波噪声 可生成两种噪声电流 – 共模噪声 – 差模噪声 ©2019 Vicor 15
Slide 16: 滤波：电磁干扰
滤波： 电磁干扰 与噪声干扰相关的问题 – 不稳定的系统工作 – 对邻近系统产生的噪声的敏感性 输入滤波器将开关转换器产生的噪声旁路到局部接地 – 减少对连接至相同电源的其它系统的干扰 – 降低系统对噪声的敏感性 ©2019 Vicor 16
Slide 17: 滤波：是否需要符合什么标准？
滤波： 是否需要符合什么标准？ 根据应用情况， EMI 滤波器必须符合一定 应用类别 标准 的 EMC 标准 EMC ：电磁兼容性 国防 MIL-STD-461 EMI ：电磁干扰 EMC 标准通过各种国际法进行规范 商业 / 工业 CISPR-22 、 EN55022 A 类、 FCC CISPR-22 、 EN55022 B 类、 国内 / 住宅 FCC 汽车 CISPR-25 交通运输 EN50155 ©2019 Vicor 17
Slide 18: 滤波：降噪技术
滤波： 降噪技术 通常需要几个分立式组件 – 共模元件 – 差模元件 共模扼流圈、 Y 电容器 电感器、 X 电容器、阻尼元件 EMI Filter Isolated DC-DCConverter CY1 CY3 CY5 + +IN +OUT Llkg DC Power RESR_Decouple RD Supply CX LOAD CDECOUPLE CD LCM - -IN -OUT Llkg CY2 CY4 CY6 EMI GND ©2019 Vicor 18
Slide 19: LC 滤波器拓扑
LC 滤波器拓扑 电路图 衰减特征频率响应图 无阻尼 简化的串行阻尼 串行阻尼 并行阻尼 ©2019 Vicor 19
Slide 20: 系统稳定性分析
系统稳定性分析 独立稳定 稳压模块与电源阻抗之间可能会发生意想不到的 相互作用 与频率相关的有限源阻抗 – 电源带宽限制 系统小环路 – 线缆长度 增益 – 滤波 Im 稳压 DC-DC 模块显示为恒定功率负载 – 不正确阻尼的输入滤波器和转换器输入形成负阻抗振荡器 Unit circle ZSOURCE ZLOAD Re VIN VBUS VOUT Middlebrook Criterion ©2019 Vicor 20
Slide 21: 电源阻抗 去耦电容器设计
电源阻抗 去耦电容器设计 ZSOURCE ZIN-CONVERTER ZSOURCE-C = (ZSOURCE-IN + ZLINE) // (ZC + ESR) ZIN-CONVERTER ZSOURCE-IN ZLINE ZSOURCE-IN + + + DC-DC + C DC-DC _ _ _ Converter ESR _ Converter LLINE RLINE LLINE RLINE Source Impedance 2 10 ZSOURCE ZIN-CONVERTER 1 10 Impedance ( ) 0 10 -1 10 -2 10 1 2 3 4 5 10 10 1
Slide 22: 输入滤波器的引入是否会引起电源稳定性问题？
滤波： 输入滤波器的引入是否会引起电源稳定性问题？ ZTOTAL-SOURCE ZIN-CONVERTER ZTOTAL_SOURCE 和 ZIN_CONVERTER 之间的相互作用 + 导致 DC-DC 转换器控制环路不稳定、动态 + - Vin Source Load Vout Load 性能下降。 Subsystem Subsystem - – 在启动、加载步骤以及其它瞬态情况 下，输入电压发生振荡 滤波器的适当阻尼可防止相互作用 – 阻抗之间的完全分离，可确保对系统 稳定性没有影响 注：分析应在低输入线电压及全功率时进行， 以考虑最坏情况下的转换器 ZIN_CONVERTE
Slide 23: 输出滤波器设计
输出滤波器设计 根据应用瞬态要求，使用以下公式选 Vout-converter Vout-load 择滤波器电感器 L DC-DC C Load Converter 根据衰减特征选择滤波器截止频率 使用以下公式得出滤波器电容器值 Load Current diload/dt ©2019 Vicor 23
Slide 24: 滤波：PCB 布局对滤波器性能
滤波： PCB 布局对滤波器性能 地理位置是否很重要？ 有何影响？ 让 EMI 滤波器的物理位置接近开关转换器 最大限度降低迹线电感和电阻 – 最大限度降低迹线电阻电感的影响 提供屏蔽区，以避免寄生电容（迹线间的电容耦合） – 保持很小的高 di/dt 电流环路区 差模电感器 共模扼流圈 ©2019 Vicor 24
Slide 25: 滤波：组件降额与低温性能
滤波： 组件降额与低温性能 电容器的值随外加电压、温度、频率及老化情况的变化而变化 特征 X7R 钽聚合物 铝聚合物 铝电解质 温度 (/) ±15% ±10% ±10% 25% 至 -30% Vr 位置的 DC 电压系数（ % ） -20% 可忽略不计 可忽略不计 10% 至 -15% 老化率（ % 小时 /10 年） 2% 不适用 不适用 不适用 抗高温及机械冲击 中低 高 高 中高 直流偏置特征 温度特征 （参考： KEMET ） （参考： Evans 电容器） ©2019 Vicor 25
Slide 26: 负载注意事项
负载注意事项 ©2019 Vicor 26
Slide 27: 负载特征 感应负载处理
负载特征 感应负载处理 影响控制回 影响 在关断情况下，存储在电感负载中的能量将产 负载类型 生 路响应 瞬态响应 大型负电压尖峰 Resistive Load 可能会影响 DC-DC 转换器性能的高频率噪声或 EMI DC-DCConverter 不影响 不影响 Complex Load 电弧放电 DC-DCConverter 影响 影响 Voltage +IN across load SW ON DC-DCConverter Downstream 可能影响 可能影响 time Converter -IN Time SW OFF time Negative voltage ©
Slide 28: 负载：脉冲负载
负载：脉冲负载 平均功率 DC-DC 转换器因素要考虑： DC-DC 转换器根据峰值负载调节的尺寸，会增加不 – 电流和功率限制 必要的尺寸、重量和成本 – DC-DC 转换器电容限值 – DC-DC 转换器的稳定性 – 所需的辅助电路，如旁路电容器、散热器和散热系统等 储能因素要考虑： 备选解决方案是使用平均功率技术 – 电压额定值：大于或等于工作电压的 140% – 温度：支持可靠性的高温 – 避免增加重量、尺寸和成本 – 类型：性能和体积 – 经过调整的存储元件尺寸，要将压降保持在负载公差内 Multiple Low ESR Bulk energy storage cap
Slide 29: 安全保护
安全保护 ©2019 Vicor 29
Slide 30: 保险装置要求
保险装置要求 安全机构可接受的条件是要求电源模块输 入可熔断 – 查阅所提供的最新模块安全机构文件，了 解熔断装置要求 熔断器是一个重要的安全元件，执行两大 功能 – 限制热损坏的范围并防止在过载或短路情 况下发生火灾 – 隔离出故障的子系统 ©2019 Vicor 30
Slide 31: 熔断器的布置
熔断器的布置 F1 F2 HVDCIN Bus Conv BUSCONV niPOL niPOL SELV OUT 1 SELV BUS F3 niPOL niPOL SELV OUT 2 ©2019 Vicor 31
Slide 32: 熔断器的选择：电流额定值与温度额定值
熔断器的选择： 电流额定值的确定以及温度额定值的重新确定 通常大于所保护系统的最大连续工作电流 重新确定温度额定值的典型示意图 （快断型） – 在稳压的系统中，这种情况通常发生在输入 140 指定电流额定值百分比 (%) 电压最小的满负载情况下 120 100 80 采用 25%-50% 的标准降额来考虑熔断器老 60 化和防止不当跳闸 40 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 参考熔断器制造商产品说明书，查看重新确 环境温度 (°C) 定温度额定值的示意图 较低的熔断器额定电流支 进一步降额，支持超过 持低于 25°C 的工作温度 25°C 的工作
Slide 33: 保险丝熔断要素：电压及中断电流额定值
保险丝熔断要素： 电压及中断电流额定值 熔断器的额定 DC 电压符合容许的、不得超过的最大承受电压 – 熔断器对电压波动没有反应 – 熔断器的额定电压必须达到或超过应用的最大预期电压 – 正确选择额定值恰当的保险装置，是一项对安全非常关键的设计选择 中断电流额定值规定了熔断器在额定电压下能够断开的最大故障电流 – 熔断器的中断电流额定值必须达到或超过提供给保护电路的最大短路故障电流 请注意，熔断器电压额定值和中断电流规范 , 可能还得看应用是 AC ，还是 DC ©2019 Vicor 33
Slide 34: 保险丝熔断要素：熔化指标 I2t
保险丝熔断要素： IPK IPK 熔化指标 I2t 0.5 IPK 频繁的脉冲电流过载会导致熔断器元件过早 t t0.5 热疲劳 – 模块启动浪涌电流 – 电容充电 – 外部引入瞬态 浪涌脉冲数 脉冲系数 (PF) 确定熔断系统预期的脉冲能量波形并与熔断 器的 I2t 额定值进行比较 100 2.1 1000 2.6 – 熔断器熔化 I2t 额定值必须大于预期脉冲 I2t× 10000 3.4 脉冲调整系数 PF 的值 100000 4.5 ©2019 Vicor 34
Slide 35: 保险熔断其它注意事项
保险熔断其它注意事项 应在电路的非接地侧安装熔断器，以确保熔断器打开时，有针对低电势的不间断连接 考虑应用的特殊环境条件。 – 例如，熔断器不适合直接放置浸没式液冷散热应用的液体中 载流连接器 / 电力传输线，包括机柜接地，并且根据适用的安全标准，熔断器的规格必须符合保险 丝额定电流的 150% - 200% ，保险丝的温升可以被接受 由双偏置电源提供的模块需要分开熔断正负终端 ©2019 Vicor 35
Slide 36: 尖峰和浪涌瞬态
尖峰和浪涌瞬态 尖峰（持续时间不足 1 毫 秒） V90% fosc 电源模块必须承受超出规定工作范围的输入电压 V10% 瞬态 – 感应负载开关、电机速度改变 – 故障清除或短暂的断电 trise tduration 瞬态抑制水平取决于输入电压瞬态的严重程度以 及相关适用标准的要求 浪涌（持续时间超过 1 毫 瞬态事件 MIL-STD-1275A/B/D/E VPK 秒） V90% 尖峰 ±250VDC ，持续 70 微秒 浪涌 100VDC ，持续 50 毫秒 V10% VNOM trise 其它瞬态规范包括： twidth MIL-STD704 、 DO-160 、 IEC610
Slide 37: 两级瞬态保护电路
两级瞬态保护电路 TVS 二极管提供 100μs 的快速瞬态抑制 Q1 高压、低能量尖峰限幅 – 通常与低 Q LC 滤波器耦合，用于更大的能量瞬态 保护 TVS 二极管所需的上游熔断器 D1 串行组合是增加 PPP 处理的首选 D2 Charge Pump TVS 二极管特征 选择标准 Reference Amplifier VRWM 保护电路的最大工作电压 VBR (110 – 115% VRWM) 和 允许小于最大值的瞬时电压模 VC (130 – 140% VBR) 块 ©2019 Vicor 37
Slide 38: 两级瞬态保护电路
两级瞬态保护电路 有源钳位级可减少模块较长持续时间的浪涌电压 Q1 – FET 的选择主要看模块的可接受输入电压范围 – 高侧 N 通道 FET 驱动器的振荡器和充电泵 对于一般较低的 RDSON 特征， N 通道是首选 D1 D2 Charge Pump FET 特征 选择标准 VDS 高于峰值的浪涌电压 Reference ID 模块满负载输入电流 Amplifier RDSON 可接受的系统效率损失与散热策略 针对特定钳位要求及模块输入电源进行 SOA 与瞬态热阻抗 评估 ©2019 Vicor 38
Slide 39: 电流共享与阵列冗余
电流共享与阵列冗余 ©2019 Vicor 39
Slide 40: 模块阵列的电流共享
模块阵列的电流共享 扩展系统总输出功率能力的并行模块 DC-DC Converter 1 IIN1 IOUT1 – 注意阵列模块的所有功率降额 +IN +OUT + VOUT1 启动到负载电容 -IN -OUT - – 故障恢复协调 CPara L 负载电流应在并行模块之间平均共享 + - Vin O A D 最大限度地提高阵列模块在热应力方面的可 IIN2 DC-DCConverter 2 IOUT2 靠性 +IN +OUT + 压降共享 VOUT2 有源电流共享 -IN -OUT - CPara ©2019 Vicor 40
Slide 41: 阵列输入输出滤波：针对拍频进行去耦
阵列输入输出滤波： 针对拍频进行去耦 通用输入输出母线上有烦人的拍频 – 部件至部件的可变性会导致开关频率略有不同 – 流动的 AC 纹波电流会引起干扰，导致系统稳 定性及电源质量问题 反馈控制环路中的混乱状况 Rd_1 Lb_1 Rd_1 – 输出电压振荡是一个转换器的开关频率噪声引 Isolated DC-DCConverter 1 IOUT1 IIN1 起的，该噪声是另一个转换器的高频率扰动 L1_1 +IN +OUT + L2_1 C1_1 VOUT1 C2_1 C2_1 -IN -OUT - CPara L + fsw1 O - Vin Rd_2 Lb_2 Rd_2 A D
Slide 42: 冗余运行
DC-DCConverter 1 D1 IIN1 IOUT1 +IN +OUT + 冗余运行 -IN CPara -OUT VOUT1 - L + O - Vin A 容错阵列可防止系统因模块故障而停机 IIN2 DC-DCConverter 2 D2 IOUT2 D +IN +OUT – 添加额外的模块 (N+1) 或模块 (N+M) ，可 + 增加可靠性，但增加的成本并不高 VOUT2 - 模块输出 OR-ing 型环用于输出短路容错 -IN -OUT CPara – 二极管可增加损耗，但是能在高温下运行， IIN1 DC-DCConverter 1 Q1 IOUT1 以最大程度降
Slide 43: 信号与 I/O
信号与 I/O ©2019 Vicor 43
Slide 44: 控制：典型的控制 I/O
控制： 典型的控制 I/O 模拟接口 数字 /PMBus® 接口 – 控制 – 控制 输出电压微调 输出电压微调 启用 / 禁用 启用 / 禁用 故障保护设定点（输入欠压锁定，过 – 监控 压锁定和电流限制等） 故障 – 监控 温度 故障 温度 输入 / 输出电压与电流 ©2019 Vicor 44
Slide 45: 控制：远端遥感
控制： Ld Rd 远端遥感 +IN +OUT +Sense L O DC-DCConverter A D 模块的远端感测功能可补偿线路阻抗对 -Sense -IN -OUT 稳压的影响 Ld Rd Output Line – 提供的引脚，电路集成在模块中 Impedance – 外部环路及补偿网络与模块微调端子相连 Ld Rd 远端补偿感测点在负载点通过开尔文连 +IN +OUT 接方法，以免在大电流系统中引入误差 L O DC-DCConverter A D -IN TRIM -OUT Ld Rd Output Line Impedance +Sense Control Circu
Slide 46: 控制：信号与电源接地
控制： 信号与电源接地 区分信号接地与电源接地，将避免从电源接地到信号接地的潜在噪声干扰 – 电源接地不仅带有大电流所产生的噪声，而且还带有 DC-DC 转换器带来的开关切换产 生的噪声 – 由于板上布线受的寄生参数的影响，电流噪声注入电源地潜在地影响电源地上的电势 连接信号接地和电源接地的方法 – 将信号地通过单点连接到电源地 – 通过增加从电源接地到信号接地的高阻抗来分离这两个接地 ©2019 Vicor 46
Slide 47: 谢谢大家！有问题吗？
谢谢大家！ 有问题吗？ 本文包含的、 Vicor 提供的信息仅供一般性参考之用。 Vicor 不对本演示的不准确性、错误或遗漏承担任何责任。电源产品用户仍对与此类使 用有关的设计、测试和工作安全保护负责。 PMBus 是 SMIF 公司的注册商标。 ©2019 Vicor 47