“轻量级”的电源系统，该如何设计？
【导读】当今的电子系统日趋复杂，为了满足不断扩展的、多样性的负载供电要求，高效而可靠的供电网络（PDN）设计越来越重要。
PDN的作用，就是将来自主电源的电能通过转换和传输，配送到各个负载点。PDN由AC-DC及DC-DC转换器和稳压器等电源管理器件，以及电路保护、连接器、线缆等电子元件组成。衡量一个PDN系统设计好坏有诸多指标，比如电能转化效率，而今天有一个指标被越来越多地提及和关注，这就是PDN的“轻量级”设计。
轻量级PDN的设计挑战
所谓“轻量级”电源系统的概念很容易理解，即以尽可能简化的BOM和尽可能小的占板面积，实现PDN所需的性能和功能。由此带来的好处显而易见，比如在数据中心的设计中，PDN的轻量化意味着只需占用更小的空间，就能够支持更多的计算单元，实现更高的计算密度。
在某些新兴的应用中，“轻量级”的要求具有更高的优先级，比如无人机。这是因为对于无人机这类新型飞行器来讲，只有尽可能减少自身的重量，才能够在电池电量不变的情况下，实现更长的滞空时间，同时也可以搭载更多的设备，实现更丰富的功能。
与此同时，轻量级PDN在性能上也不能打折扣——仍然需要保持足够高的效率，以充分利用电池提供的有限电能；同时，这种电源架构还需要具有可扩展性，以便在未来快速支持无人机所承载的新功能和新任务。
从无人机这个颇具代表性的案例可以看出，既要更小巧，又要兼具出色的效率和可扩展性——这就是摆在轻量级PDN设计面前的挑战。面对这样的挑战，电源工程师一方面要不断优化整个PDN的系统架构；另一方面，从作为系统核心的电源管理器件入手，选择能够支持轻量级PDN的解决方案，也是一个重要的抓手。
图1：无人机等应用需要更轻量级的PDN
（图源：Vicor）
不断变“小”的电源模块
在实现轻量级的PDN设计时，选择电源模块显然是一个明智的技术路径。电源模块将电源管理电路所需的元器件都集成在一个封装内。与分立式的电源解决方案相比，电源模块的结构更紧凑、重量更轻，功率密度更大，同时也大大简化了整个系统的BOM。此外，电源模块作为一个商用的产品，本身经过严格的测试，在应用时无需重复测试和确认设计，加之其应用开发简便易行，不再需要工程师具备更高深的专业经验，整个开发周期也会得以大大缩短，因此如今电源模块基本上已经成了PND设计中的“标配”。
不过，市场上的电源模块林林总总，要找到能够真正满足“轻量级”PDN设计要求的那颗料，遴选起来还是需要下一番功夫。当然，选型时也有一个诀窍，那就是仔细观察电源模块的封装技术——有核心竞争力的电源模块产品，通常会通过差异化的封装技术将自身的优势充分发挥出来。
在创新电源模块封装技术的开发上，Vicor公司可以说是活跃的资深玩家。早在1984年，Vicor就凭借推出模块化的砖型DC-DC转换器，掀起了一波电源模块封装小型化和标准化的浪潮。此后，该公司之后其在这个领域一直深耕不辍，迭代出了多种创新的封装技术。面对今天人们对于更轻量级PDN的诉求，Vicor也推出了针对性的解决方案，那就是创新的ChiP?封装技术。
图2：ChiP?封装与全砖型封装的外形比较
（图源：Vicor）
从图2中我们可以直观地看出，ChiP?封装与其同门“前辈”封装技术相比，在小型化上具有显著优势。而如果更深一步去了解这一技术，会发现在其纤细的外形之下，还蕴藏着很多技术亮点。
更高的功率和电流密度
之所以能够进一步“压缩”电源模块的外形，一个很重要的原因就是Vicor在专有控制ASIC中整合了创新的拓扑和控制系统，它使得电源模块能够在更高的频率下工作，可以选用更小的配套元器件，进而让电源模块的外形更为紧凑，相应地也就实现了更高的功率密度和电流密度。
独树一帜的散热设计
热管理设计是电源模块设计中的关键一环，也往往是制约电源模块小型化的一个主要挑战。在这方面，ChiP?封装通过双面散热，显著提高了产品的散热性能，提升了额定功率。在此基础上，Vicor还推出了镀铜ChiP?封装，通过缠绕式铜套进一步优化模块的热性能，简化热管理设计。
集成磁性组件
在提升电源模块集成度的过程中，磁性组件的集成一直是个难点。而ChiP?封装很好地解决了这一难题，通过将蓄能电感器或变压器集成到电源模块内，不仅缩小了电源系统的整体空间占位，也有利于进一步优化电源模块的性能，将电源工程师从难度大、耗时长的电源转换器磁性组件的优化中解脱出来。
类似晶圆制造的切割工艺
在制造工艺方面，ChiP?封装是从标准尺寸面板切割而成——类似于晶圆制造中切割硅芯片的方法。此举能够充分利用模块内PCB的双面安装有源及无源组件，同时实现了精简、大批量和高度扩展的生产操作。
图3：ChiP?封装采用切割工艺，满足大批量生产的要求（图源：Vicor）
兼容自动化PCB装配技术
ChiP?采用电镀覆盖压模封装，能够满足PCB表贴封装的工艺要求，与主流的自动化PCB装配技术兼容。而且这样的工艺能够在电源模块与PCB间建立良好的电气和散热连接，确保其实现优异的性能和可靠性。
从上面的介绍我们不能看出，有了ChiP?封装的加持，电源模块的设计在高性能和小型化两个方面都可以更上一层楼，这对于高效率、轻量级的PDN设计当然是一个有力的支撑。
DCM?系列隔离DC-DC转换器
有了ChiP?封装这样坚实的技术基石，Vicor在小型化电源模块的研发上更是游刃有余，近年来不断推出更轻薄、更高效的产品。基于ChiP?封装的DCM?系列隔离DC-DC转换器就是其中的代表作。
图4：DCM?系列隔离DC-DC电源模块
（图源：Vicor）
DCM?系列DC-DC转换器将隔离、稳压、热管理和故障监测等功能封装在一个模块中。由于采用了双钳位零电压开关（DC-ZVS）拓扑，因此DCM?电源模块可以实现较高的工作频率，这有助于缩小模块中磁性元件和存储元件的尺寸，进而实现达1,244W/in3的高功率密度。而且，DC-ZVS拓扑也使该电源模块与其它DC-DC转换器解决方案相比，具有更为优秀的效率表现，效率可高达93%。这些特性正是轻量级PDN所期待的！
在PDN系统中，DCM?模块可将不稳压的、宽范围输入电压转化为隔离和稳定的输出电压（3V-53V），供给下游的PoL（负载点）稳压器，稳压精度可达±1%。
DCM?模块虽然外形更小，但是更高的功率密度使得单个模块运行时能够提供高达600W的高功率。而且值得一提的是，当面对需要更高功率的应用时，可以将多个DCM?模块并联使用，通过负载分配实现更高的功率容量，最多可支持8个模块并联运行。这无疑会为PDN设计带来极佳的可扩展性。
图5就是DCM?模块在48V混合动力汽车中的用例。该用例采用4个ChiP?封装的DCM3623隔离稳压DC-DC转换器，实现了以高达85A的电流从电池组提供13.8V的稳压输出。
图5：并联使用DCM?模块支持更高的功率
（图源：Vicor）
此外，DCM?电源模块还提供过压（OV）、欠压（UV）、过流保护（OCP）、短路和热保护等完备的保护功能，在电磁兼容领域也有不俗的表现，这使其成为工业、航空航天、铁路运输等高性能、可靠性应用的理想选择。
目前，Vicor提供三个ChiP?封装尺寸的DCM?电源模块，形成了DCM2322、DCM3623和DCM4633三个系列的产品，以适应不同隔离稳压和功率范围的要求。
图6：ChiP?封装DCM?电源模块电气特性
（图源：Vicor）
可见，ChiP?封装的DCM?隔离DC-DC电源模块在手，PDN的轻量化设计就会变得更轻松。
表1：ChiP?封装DCM?电源模块特性比对
（资料来源：Vicor）
层出不穷的成功设计
ChiP?封装DCM?隔离DC-DC稳压器为电源系统开发所带来的价值，正在被越来越多的开发者所认识，因此基于该电源模块的成功用例也是层出不穷。
比如2020年在抗疫前线武汉火神山医院的施工现场，搭载DCM4623电源模块的极客桥GBI2020-Ⅰ型照明无人机，在为施工现场提供应急通宵照明方面就发挥了重要的作用。在这个应用中，照明无人机飞行组件仅有1.3公斤，因此对系统中各个组件的重量都提出了极为苛刻的要求，而DCM4623的应用将无人机的电源模块重量缩减到了仅30克，同时提供高达92%转换效率，非常出色地应对了这一电源轻量化的挑战！
图7：DCM4623在轻量化照明无人机中的应用
（图源：Vicor）
另一个值得一秀的案例，是DCM3623在“绝影”机器狗上的应用。这款国产机器狗的定位不同于目前市场上负重上百公斤的主流重载型产品，其设计负重能力在10-20公斤左右，是一款面向行业应用、更加轻盈的机器狗。这就使其在产品设计时，内部组件的轻量化成为了一个关键指标，而且由于内部空间有限，对于组件的外形和散热的要求也更为严苛。而DCM3623小型化、轻重量、高效率等特点正好可以满足这样的设计要求，由此打造的轻量级电源系统，在赋能机器狗“绝影”实现更灵巧的外形、更强的灵活性方面功不可没。
图8：DCM3623未机器狗打造轻量化的电源系统（图源：Vicor）
总之，随着市场需求的不断发展，开发者的“脑洞”也越开越大，对于轻量级PDN的探索也不会止步。想紧跟这样的大趋势，是时候在你的选型工具箱中加入更多创新的电源模块啦！今天本文介绍的这个DCM?电源模块系列，你收藏了吗？
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