Articles & Blogs > 对于印刷电路板配电拓扑，“最优”解决方案最终靠的是经验

对于印刷电路板配电拓扑，“最优”解决方案最终靠的是经验

作者： Bill Schweber 2020-10-20

标签

遇到问题时人们通常希望工程师进行分析并提供一个“最佳”或“最优”的解决方案。虽然某些设计情况下这是可行的，但工程师并不能包打一切。原因很简单：每个人判断好坏的参数及其值的多少是不同的。那么是有一个关键性的、压倒性的因素吗？还是在众多不同因素中寻求微妙的平衡以实现某种方式的神奇优化？

现实是：工程设计不仅事关执行设计本身的专业知识，而且是涉及对每个设计要求因素的许多权衡和妥协。当有班门弄斧之徒对着设计随意挑剔地问道：“为什么你没有这样和这样？”或者“你不能简单地加个什么 X？”时，想必你一定火冒三丈。当人们对所做的权衡一无所知时，问这些问题很容易。

当然，对于某些应用来说，一两个性能要求可能会占据主导地位，比如深空任务对低功耗和长期可靠性的要求。对于其他情况，满足某些规格是必不可少的，但没有必要超出这些规格要求，因为最终产品不会因此规格超出而获益。

不过在所有设计中，工程师显然必须尝试评估各个项目目标的性质及其相关度。例如，如果多一点功耗能显著提升速度或提高精度，这可能就是一个非常好的权衡。但该如何量化“成本”与“效益”呢？在很多情况下，你无法可靠地做到这一点，因为即使你做得到，但这种关系通常也只在很小的范围内有效。随着这种变量的数量的增加，关系链变得更加复杂、微妙，并难以界定。

那么，配电拓扑如何呢？

为了说明优化方案挑战的复杂性，我们来看一个定义良好的系统功能：配电拓扑 (PDT)。每一个电子设计都有一个电源子系统，但我们将聚焦于一个较小的有边界的单块电路板电源。通常这涉及多个电压轨值和每一单个轨的不同电流需求，但我们可以从具有两个相同的 5 V、0.9 A 负载的简单情况开始。

对于这种非常简单的情况，可以使用像如 Maxim Integrated 的 uSLIC Himalaya 系列这样的 DC-DC 降压模块来实现，但即便如此简单，也有两种截然不同的选择（图 1）。一个选择是使用两个 Maxim MAXM17632 5 V/1 A 模块，每个负载使用一个。另一个是使用单个 Maxim MAXM17635 5 V/2 A 模块同时为两个负载供电。此外，如果其中一个负载只有 75 毫安 (mA)，而不是 900 毫安，怎么办：是使用 2 A单元为两个负载供电，还是使用一个 1 A 的 MAXM17632 加上一个较小的 5 伏/100 毫安 MAXM17900 为第二个负载供电？答案照例很简单：“视具体情况而定。”

图 1：有两种拓扑结构可以在相同的电压下向两个独立的负载供电：使用两个较小的 DC-DC 模块（上方），或者使用一个较大的模块同时为两个模块供电（下方）。（图片来源：DigiKey）

任何一种方法都应该是可行的，但需要考虑的因素如：负载相对于其他负载的位置、整体效率与负载的关系、任何一个负载静止时期的整体功耗以及电路板走线产生的噪声。甚至电路板占用面积也是一个因素：2A 模块是 4 × 4 毫米 (mm) = 16 毫米²，而 1A 单元是 3 × 3 毫米，总共 9 + 9 = 18 毫米² 的占用面积。多出 2 mm² 看起来似乎没什么影响，但在紧凑的设计中可能会产生很大的影响；分析来看，它增加了12.5% 的占用面积。

而且，它变得更难了

对于这样一个简单的 A 对 B 的方案，很有可能有一个方案会更好，即使差异不大。但是，对于比较复杂的情况，如有很多负载时，即使在相同的标称电压下，也往往有很多硬性和软性因素需要考虑，比如：

负载的数量
每个负载的典型电流、最大电流和静态电流。
负载相对于彼此的位置
每个负载的动态载荷
电源模块与负载之间印制线较长而产生的噪声
负载侧的电压精度和稳压要求——一个负载可能需要 ±0.5%，而另一个负载需要 1%。
负载平衡：如果一个负载需要 2 A，而另一个负载只需要 50 mA，那么为 50 mA 负载配备一个低压差 (LDO) 稳压器是否是一个更明智的选择呢？
靠近负载点 (PoL) 电源转换的优点和所需的旁路
运行非稳压主直流电源和多个稳压式直流电源所需印制线（及其接地）占用的电路板面积；对布局灵活性的影响
电源模块及其支持组件的总占用面积
电路板上的位置灵活性
时钟频率、EMI 和“节拍”问题；使用通用时钟还是单独的 DC-DC 时钟
各种稳压器配置的总体效率
所需无源元件的数量和类型
电流-电阻 (IR) 降、印制线宽度以及在较高电流水平下对远程感应的可能需要
BOM 组件成本

上面这个清单展示了这个问题的多面性和复杂性。即使是单一电压的简单情况，随着负载数量和特性的增加，可能性的数量和相关的自由度也会急剧增加。

解决这个问题是无法对所有可能性进行穷尽式研究的。EDA 软件可以对给定方法进行分析，并根据目标对其进行评级，甚至可以通过查看每个方法的适度“假设”变化来提供帮助，但它也无法穷尽各种可能性，无法评估给定拓扑的成本收益和折衷办法（至少目前还不能；也许在几年后，通过人工智能 (AI) 可以做到这一点！）。再加上需要多轨电压的现实，问题就变得复杂得多，尤其是你可能有不同的中间总线转换级时。

这就是为什么我看到工程师们使用基本电子表格而不是 EDA 工具来对众多拓扑路径的影响进行评分的原因。然而，最终许多电子表格的单元格都会填上定性评估，如“差”、“好”或“非常好”，再加上附加在每个单元格上的小注解，如“好--但最多只有2A”。

如果能在配电拓扑分析中建立起许多变量之间的联系，那就更好了。这不会很快发生，因为有这么多相互关联的自由度，但它们是通过非线性关联、拐点、饱和点和其他复杂且通常难以量化的相关性联系起来的。

这就是在决定首选 PDT 方法时，工程专业知识、经验、判断，甚至是直觉的作用。即使是一块电路板，确定“最佳”的电源拓扑结构也是一个真正的工程实例，它需要的不仅仅是冷静的数字分析。

总结

当有人说他们有设计问题的最优解时，要问的逻辑问题是简单而直接的：“就哪些参数而言是最优的，以及最优到什么程度？”即使是像你的 PDT 这样基本的、有形的东西，也有一大堆关键因素，有些因素是紧密联系的，有些因素是松散联系的。

如果你要在设计评审会上介绍你的 PDT 方案，无疑会被同行的工程师们问到，你是如何以及为什么选择这个拓扑结构的。你需要提前准备好，深思熟虑地展示你的分析，解释你的想法，并承认在哪些地方使用了经验和判断，而不仅仅是数字。这样你就应该能够明确，为什么你的 DC-DC 电源模块和相关组件的组合显然是一个合适的选择，但不是唯一的选择。