板载电源：定制还是标准？

在嵌入式系统设计中设计电路板的电源部分时，很容易从目录中选择标准模块。如今，许多供应商提供各种优质产品，无论是隔离砖还是非隔离负载点模块 (POL)。

效率高、质量和可靠性好、成本有竞争力——您还想要什么？但与往常一样，事情并不像看起来那么简单。尽管使用标准模块的电源系统在许多情况下可能是一个很好的解决方案，但定制设计通常可以以更低的成本提供更好的性能。本文探讨了在使用标准或自定义解决方案之间进行明智权衡时涉及的一些问题。

电源要求

在本次讨论中，我们将考虑使用分布式电源架构的产品中的典型卡电源系统，其中每张卡的输入电压为 -48V。这种电源架构在电信和高端计算应用中非常常见，并在电信计算架构 (ATCA) 设备标准中进行了指定。

在大多数应用中，分布式电源系统中使用的每个卡必须在-48V 输入和低压输出之间提供电气隔离，以满足安全要求。下面的表 1列出了该示例的基本要求。

表1“卡电源系统要求

输入要求由应用程序设置，并且通常对于系统中的每张卡来说都是通用的。每张卡的其他要求都不同，以适应所使用的组件。

标准模块解决方案

下面的图 1 显示了使用标准电源模块满足上表 1 中的电源要求的可能解决方案。在此示例中，两个砖块用于高功率输出，而 POL 模块用于其他三个输出。这样效率高，并且可以轻松满足2.5V先于3.3V启动的要求。

图1 “使用标准模块的卡上电源系统

请注意，砖块功率输出必须足以驱动 POL 以及直接输出。假设 POL 的效率为 90%，则 2.5V 砖输出必须至少为 19A（17A 直接加上 1.5V POL 的 2A）。同样，3.3V 砖必须至少为 17A（11A 直接加上 1.2V 和 1.8V POL 的 5.7A）。

这种设计方法具有设计时间短的优点，并且可以从多个供应商处获得各种砖和 POL。如果需要，可以在开发过程中使用不同的模块轻松更改输出电压或电流。然而，brick 和 POL 在启动和故障期间独立运行。

需要外部电路来满足输入启动和关闭、浪涌电流限制、输出排序和保护的系统规格。对于噪声敏感的应用，可能需要将电源电路开关频率与系统时钟同步，但这不能用标准块或 POL 来完成。每个模块都有自己的频率，每个供应商都不同。

由于砖块和 POL 仅适用于特定功率级别，因此通常需要选择输出功率略高于卡所需的模块。还必须正确考虑应用中所需的热降额，每个供应商的热降额可能有所不同，并且这使得多个来源的变得复杂。因此，并且由于需要外部电路，使用标准模块的电源系统通常比定制解决方案更昂贵。

定制电源解决方案

作为标准模块的替代方案，定制电源解决方案提供了优化设计以准确满足卡需求的可能性。下面的图 2 显示了满足相同卡电源要求的定制电源模块（见表 1）。该电源模块包括所有 DC-DC 转换和隔离功能以及排序和保护功能，取代了之前图 1 中使用的砖块和 POL。

图 2 – 定制卡上电源模块

请注意，本示例中的输入功能不包含在定制电源模块中。这使得 EMI 滤波可以在系统集成测试期间轻松优化，而无需重新设计电源模块，对于噪声敏感应用来说是一种很好的方法。

在其他应用中，噪声过滤可能不太重要，电源模块可以包括输入功能，如下图 3所示。即使在这种情况下，输入保险丝通常位于模块外部，因为它们必须尽可能靠近卡输入连接器放置以满足安全要求。

图3“完全定制的卡上电源解决方案

定制设计方法避免了功能重复，并允许优化电源电路，以的成本满足卡的要求。模块设计可以保证输出排序和故障保护，并且可以通过从单个时钟驱动所有功率转换级来降低开关噪声。

此外，定制电源模块比标准模块需要更少的 PCB 面积，并且可以优化物理封装（尺寸、引脚排列、安装、冷却）以适应应用。然而，需要大量的设计时间和精力，因此这种方法更适合中到大批量应用。

分立电源解决方案

另一种选择是将电源组件直接安装在卡上，而不是使用单独的电源模块。可以优化设计以准确满足卡的需求，并且可以通过消除电源模块 PCB 来降低材料成本。

如下图 4所示，该框图与图 3 中的完整自定义模块基本相同。但是，用于实现功能的组件可能会有显着不同，因为它们必须与整个卡组装流程兼容。

图4“分立电源电路

例如，通常不可能像电源模块那样在 PCB 内嵌入平面变压器或功率电感器。PCB 的层数和铜厚度也可能使其不太适合用作功率半导体的散热器。

分立电源设计方法还使测试和故障排除变得更加困难，因为输出直接连接到卡的其余部分。过压保护或电流限制等功能无法轻松测试，否则会冒着发生故障时卡损坏的风险，甚至输出纹波和负载调节也不容易测量。如果出现故障，排除故障时必须考虑卡上其他电路可能已损坏的可能性。一般来说，这种类型的电源系统设计适合大批量、低成本的电路板，其中测试不那么广泛，并且不需要故障排除和维修。

表2“标准、定制和分立电源解决方案的比较

结论

如上表 2所示，总结了每种设计方法的主要优点（以粗体显示）和缺点，虽然电源系统的选择取决于多种因素，但一些一般性结论是明确的。

基于标准模块的解决方案提供了良好的灵活性和短的设计时间，但可能价格昂贵。在另一个极端，分立解决方案成本，但设计、制造和测试更加困难。在许多应用中，定制电源模块可以提供良好的平衡，具有出色的性能，并且易于制造，且成本比标准模块更低。