作者：V. Joseph Thottuvelil 和 Vesa Jokitulppo，GE Energy Connections 的工業解決方案

? ? ? ? ? 在網絡和計算設備的印刷電路板 （PCB） 上獲得更多處理始終是“處理能力與功率”的悖論。較新的集成電路 （IC） 設計在相同空間內的處理能力比上一代設備高出數倍。這種增強的功能支持高性能產品，例如具有額外交換容量的軟件定義網絡 （SDN） 交換機或具有更快吞吐量的自動測試設備 （ATE） 設備。然而，更高的處理能力也可能意味著更高的功率要求，因為 IC 和電源模塊都使用更多的 PCB 空間。

　　設計人員如何才能恢復因對處理能力的需要而不斷增加的功率要求而損失的電路板空間？在GE，我們根據我們稱為“負空間設計”的原則來研究這些挑戰的解決方案。

　　負空間設計（DITNS） 著眼于多種工程方法來減少印刷電路板上的電源模塊“占地面積”。例如，使電源模塊更密集，同時降低其高度，使設計人員能夠將它們放置在以前無法使用的空間中。我們看到這種方法與 GE 的低高度SlimLynx?系列負載點 （POL） 或 DC/DC 轉換器、適合夾層板下方或可放置在板背面的電源模塊一起使用，為更高的組件騰出頂部空間。（見圖1）

　　圖 1： 將 GE 的 SlimLynx? 放置在印刷電路板下方。

　　另一種 DITNS 方法是在同一個電源包中包含更多功能。例如，GE 的雙輸出電源模塊DualDLynx?（多輸出MicroDLynx?器件）在單個封裝中提供 2 x 6 amp 或 2 x 12 amp 輸出，同時保持兩個獨立輸出的單獨控制功能，同時適合空間比兩個單獨的模塊小 25%。（見圖2）

　　圖 2：回收電源模塊之間的“不可用”空間。

　　電路板設計人員面臨的一個持續挑戰是許多現代 IC 對動態負載要求或瞬態性能的要求越來越高，因為供電電壓越來越低，而 IC 電流越來越高，以支持更高的處理能力。GE 的專利Tunable Loop? 技術能夠以最少的輸出電容滿足嚴格的目標瞬態規范（圖 3），再次節省寶貴的電路板空間。

　　圖 3：對于具有和不具有 Tunable Loop? 的 40 A 模塊的情況，由于 10 A 瞬態負載電流與外部電容導致的輸出電壓偏差。

　　負空間中的另一種設計方法圍繞著增加數字電源的使用。在過去十年中，電源管理總線 （PMBus） 的廣泛采用使電路板設計人員能夠“聰明”地控制和監控電路板上的電源。由于大多數電路板已經具有某種主機控制器，因此通過 PMBus 添加電源控制功能是一個簡單的擴展。GE 的數字 DLynx DC/DC 轉換器系列是第一款支持 PMBus 數字功能的主流 POL 產品。這允許設計人員將控制和接口功能從硬件轉移到軟件中，從而騰出通常由這些分立電路特性占用的電路板空間。DLynx 系列還使設計人員能夠通過在相同的占位面積中提供模擬和數字 POL 模塊來優雅地過渡到數字電源，

　　數字電源的應用還使電源設計人員能夠更好地監控和控制電路行為。特別是，借助高性能 IC 負載、輸出電壓的高精度控制、電流、電壓和溫度的精確數字遙測，以及調整警告和關斷限制的能力，有助于設計人員優化電路以提高性能并通過避免過度指定組件。它還通過提供易于使用的擴展監控和記錄功能來促進開發過程。更好地理解正常和故障恢復狀態下的電路行為的能力允許在原型之間以及從一代產品到下一代產品的快速開發。

　　特別是在具有多個電壓軌的復雜電源設計中，數字電源可以通過提供靈活的電源管理功能（如電壓設置、裕量、故障限制、排序等）來顯著縮短開發時間。在許多情況下，如果沒有數字控制，電源工程師可能會進行組件更改甚至構建另一個原型，這會增加大量時間和成本。

　　最后，數字控制允許通過使用高分辨率數字電壓微調來更嚴格地控??制輸出電壓，例如，消除制造校準期間正常組件容差導致的變化。GE 將這種方法用于我們的許多電源模塊，并與其他電路板設計人員和制造商共享這種數字微調功能。

　　面對電路板設計中日益增長的“容量與功率”挑戰，電源工程師現在可以利用一系列負空間設計方法，以及一系列新的數字電源設計工具和技術。

　　有關 GE 負空間設計的更多信息，請觀看此視頻系列：負空間設計簡介、機械約束、特征約束、熱約束和配電約束。