本文要點
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在 PCB 中應謹慎設計供電方案，方可(kě)確保元件獲得(de)穩定的(de)電源。 |
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最佳功率流通(tōng)常用(yòng)於設計配電系統，但也(yě)可(kě)用(yòng)於確定 PCB 中所需的(de)功率。 |
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對於PCB，最佳功率流模型有助於理(lǐ)解 PCB 供電網路 (PDN) 的(de)設計要求，以及如何將電源分(fēn)配到給定的(de)設計。 |
我們可(kě)以將最佳功率流的(de)核心概念應用(yòng)到 PCB 設計中。
儘管我們希望工程決策能夠做(zuò)到乾脆俐落，但大(dà)多(duō)數工程決策都需要利弊權衡。「優化(huà)」不僅僅是技術行銷文案中的(de)詞語，它還代表了(le)一個深入的(de)數學領域，旨在説明(míng)設計師分(fēn)析不同設計目標之間的(de)利弊關係。在設計 IC、PCB 等複雜系統，或是設計整個 PDN 時，需要作出許多(duō)權衡，而最佳設計會盡力優先考慮重要的(de)設計目標，同時盡可(kě)能找到折衷方案。
至於配電，沒有哪種電源可(kě)以按需提供無限的(de)電力。我們的(de)電源和(hé)配電需要能夠為 PCB 或其他(tā)電子設備的(de)元件提供穩定的(de) AC 或 DC 電源。確定如何在整個系統中分(fēn)配功耗是一個關於優化(huà)的(de)問題，可(kě)以用(yòng)最佳功率流模型來表示。使用(yòng)該模型可(kě)確定可(kě)以將多(duō)少功率分(fēn)配給不同的(de)電路模組，以及確定可(kě)能需要重新設計的(de)電路模組。
下(xià)文介紹了(le)該模型如何呈現 PCB 的(de)資訊，以及如何利用(yòng)該模型來進行電子設計。
最佳功率流模型
最佳功率流模型通(tōng)常適用(yòng)於發電廠和(hé)用(yòng)電戶，從而確定要滿足需求，每個發電廠應在哪種水(shuǐ)準下(xià)運行。在真實的(de)電網中，電網上的(de)每個發電廠都可(kě)以發電，然後將電力分(fēn)配給系統上的(de)多(duō)個負載。確定每個發電廠應該產生多(duō)少電力似乎無關緊要，但這其實是個複雜的(de)管理(lǐ)問題，旨在防止實際電網中的(de)電力浪費。
PCB 設計與上面的(de)例子如出一轍，AC 和(hé) DC 電路闆皆是如此。PCB 通(tōng)常僅由單個電源供電，但某些特殊的(de)混合信號闆可(kě)能需要獲得(de)單獨的(de)交流電源。當然，電源數量的(de)減少使透過公式來優化(huà)電源分(fēn)配變得(de)更加容易。
公式示例
為了(le)更好地理(lǐ)解最佳功率流模型，我們考慮以下(xià)優化(huà)問題。具有 S 電源的(de)系統必須為 L 電路模組供電。S 電源和(hé) L 電路模組的(de)分(fēn)佈是具有 N 個節點和(hé) M 個分(fēn)支的(de)樹形拓撲結構。在確定多(duō)電源系統的(de)功率預算(suàn)時，我們可(kě)以用(yòng)公式表示以下(xià)電源分(fēn)配問題，從而使電源的(de)總輸出功率最小化(huà)：
用(yòng)於最小化(huà)總功率輸出的(de)功率分(fēn)配問題
此處的(de)目標是透過調整向系統中每個電路模組提供的(de)電流和(hé)電壓，來確定每個電源所需的(de)電壓和(hé)電流。在這個問題中，優化(huà)問題自帶基爾霍夫定律 (Kirchoff’s laws) 和(hé)歐姆定律 (Ohm’s law)，使之適用(yòng)於需要在多(duō)個電源之間分(fēn)配功率的(de)任何系統。
最佳功率流模型中的(de)假設
上述模型中有一些隱含的(de)假設：
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系統中所有導體的(de)直流電阻假定為 0 歐姆。 |
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每個 L 電路模組中的(de)電壓和(hé)電流之間的(de)關係可(kě)以是非線性的(de)。 |
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假定電源具有高(gāo)達最大(dà)額定輸出的(de)線性功率輸出。 |
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所有電源都被認為是直流電源或僅具有諧波時間相關性。 |
這個問題最好的(de)解決方式是使用(yòng)啟發式或演化(huà)演算(suàn)法，後者用(yòng)於商用(yòng)求解器中。還有一些開放原始程式碼可(kě)以用(yòng)來解決這類包含大(dà)量變數的(de)問題。
公用(yòng)事業機構會使用(yòng)此問題的(de)各種版本來確定如何以最佳方式將來自多(duō)個發電廠的(de)電力分(fēn)配給不同的(de)變電站和(hé)最終用(yòng)戶。在計算(suàn)系統中電源的(de)最佳功率輸出時，這類問題一般會考慮電源隨機故障的(de)可(kě)能性。當設計含有多(duō)個電源的(de) PCB，或將多(duō)個 PCB 連結成一個大(dà)型系統時，也(yě)可(kě)以使用(yòng)此方法。
驗證最佳功率流結果
有了(le)一整套電路建模和(hé)模擬工具，電路設計師可(kě)以在系統內的(de)各類電路模組中驗證配電方案。這種驗證過程以高(gāo)層次的(de)視角分(fēn)析電路，隻考慮大(dà)型系統內的(de)功能模組，而不考慮單個的(de)元件。這種系統級別的(de)分(fēn)析可(kě)以按照(zhào)以下(xià)方式進行：
1. |
設計好每個電路模組後，使用(yòng) SPICE 模擬計算(suàn)會出現在系統中每個模組的(de)功耗。尤其要計算(suàn)每個電路模組的(de)總壓降，以及為每個模組供電的(de)總電流。 |
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2. |
創建一個新元件來表示每個模組。該元件應具有與其電路模組相對應的(de)等效阻抗（僅模組的(de)電源電壓/模組電流）。如果電路模組具有非線性回應，請使用(yòng) SPICE 建模應用(yòng)為電路模組創建等效的(de)直流模型。 |
3. |
將這些模組連接到更大(dà)的(de)網路拓撲結構中，並為電源添加模型。 |
4. |
運行 SPICE 模擬（直流、瞬態模擬、掃頻或其他(tā)模擬），計算(suàn)分(fēn)配到拓撲中每個模組的(de)功率。下(xià)圖顯示了(le)具有 N 個電路模組的(de)匯流排拓撲示例。 |
5. |
對照(zhào)特定的(de)功率要求檢查每個模組的(de)功率分(fēn)配，確定是功率過高(gāo)還是功率不足。 |
PCB 設計中構建電源分(fēn)配網路最常用(yòng)的(de)匯流排拓撲方法。
根據我們在步驟 3-5 中對電源進行建模的(de)方式，我們可(kě)能無法獲得(de)具有物(wù)理(lǐ)意義的(de)結果。電源的(de)建模應盡可(kě)能接近系統中的(de)實際電源，以確保功率流結果具有物(wù)理(lǐ)意義。如果電源沒有輸出足夠的(de)功率，或者特定的(de)電路模組消耗了(le)過多(duō)的(de)功率，則可(kě)能需要重新設計一個或多(duō)個電源模組，以確保電源在系統中得(de)到正確分(fēn)配。
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譯文授權轉載出處
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