可配置電源中典型DSP控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于設(shè)計(jì)有大功率 (>100 W) 需求的電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，選擇電源類(lèi)型的方法似乎簡(jiǎn)單明了。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)有三個(gè)基本選擇：

• 固定規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)零件。 標(biāo)準(zhǔn)零件的規(guī)格范圍有限，支持電路設(shè)計(jì)中最常指定的輸入和輸出。

• 全定制式設(shè)計(jì)，按照用戶的具體規(guī)格定制，包括功率、輸出數(shù)、外形尺寸、環(huán)境保護(hù)和其它任何必需參數(shù)。

• 可配置或可編程電源。 通過(guò)選擇安裝在常用底座單元中的適當(dāng)模塊，可配置電源單元能夠支持多種電源規(guī)格，還支持不同數(shù)量的電源輸出。 可編程電源為用戶提供了靈活性，讓他們能夠微調(diào)任何給定模塊的輸入和輸出規(guī)格。

在決定電源規(guī)格時(shí)，傳統(tǒng)思路是采用層級(jí)式?jīng)Q策流。

這種層級(jí)結(jié)構(gòu)的頂部是標(biāo)準(zhǔn)零件。 設(shè)計(jì)人員普遍認(rèn)為：只要設(shè)計(jì)能夠使用標(biāo)準(zhǔn)零件，就應(yīng)該這樣做。 按照傳統(tǒng)思維，對(duì)于任何標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出組合，標(biāo)準(zhǔn)零件都能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的成本、尺寸和效率組合。

這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)零件專(zhuān)門(mén)針對(duì)一種輸入/輸出規(guī)格進(jìn)行了優(yōu)化；還因?yàn)樗轻槍?duì)多家客戶大批量生產(chǎn)的，存在規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

但是，如果標(biāo)準(zhǔn)零件沒(méi)有提供電源設(shè)計(jì)需要的輸出組合，傳統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)中下一個(gè)選擇就是全定制零件：這樣可為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供完全符合設(shè)計(jì)需要的規(guī)格，使設(shè)計(jì)在性能、低物料成本、效率以及客戶規(guī)定的其他參數(shù)方面得到優(yōu)化。

但是，全定制式解決方案不適合某些產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。 最常見(jiàn)的原因是，項(xiàng)目在產(chǎn)品生命周期內(nèi)無(wú)法創(chuàng)造足夠的價(jià)值，因而定制解決方案的開(kāi)發(fā)成本也不具備合理性。或者使用定制設(shè)計(jì)需要花費(fèi)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

傳統(tǒng)上，決策流的末端才是可配置電源，只有在標(biāo)準(zhǔn)零件或定制電源單元顯然不適用的情況下，才會(huì)選擇它。 換而言之，可配置電源被視為設(shè)計(jì)人員最后的無(wú)奈選擇。

事實(shí)上，本文認(rèn)為可配置電源才是大多數(shù)項(xiàng)目經(jīng)理的第一選擇，電源設(shè)計(jì)人員應(yīng)該優(yōu)先考慮采用。

可配置電源：不該只是第三選擇？

可配置電源同時(shí)結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)零件和全定制電源的某些優(yōu)勢(shì)。

與定制電源相同，可配置電源讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠指定標(biāo)準(zhǔn)零件無(wú)法支持的精確輸出功率額定值，而不僅只是支持標(biāo)準(zhǔn)零件通常提供的單個(gè)或兩個(gè)電源輸出。

可配置電源是通過(guò)在多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊的通用底座單元中組裝而成的。

這意味著配置流程遠(yuǎn)快于全定制式設(shè)計(jì)流程，因而產(chǎn)品能如標(biāo)準(zhǔn)零件那樣快速面市。

此外，與固定功能標(biāo)準(zhǔn)零件和全定制式設(shè)計(jì)相比，可配置電源的總擁有成本通常具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，具體取決于數(shù)量。

但是，按照傳統(tǒng)思維，只有在無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)零件或全定制式電源的情況下，才應(yīng)選擇可配置電源。

當(dāng)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)被視為以下性質(zhì)的過(guò)程時(shí)，這種選擇方式似乎顯得合理：

• 過(guò)程分散，前代和后續(xù)的最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)相互分開(kāi)

• 過(guò)程可預(yù)測(cè)且易于管理

這些條件可能適用于一定比例的設(shè)計(jì)。

但是，很多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)面臨的實(shí)際情況是最終產(chǎn)品不斷演進(jìn)，產(chǎn)生的變體也是產(chǎn)品系列的一部分；在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，隨著市場(chǎng)或技術(shù)的變化，設(shè)計(jì)規(guī)范（理論上應(yīng)該在設(shè)計(jì)流程開(kāi)始時(shí)確定）實(shí)際上不斷修改。

對(duì)于這些設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，可配置電源的特性具有更大的意義，因而必須對(duì)電源選擇決策流程的層級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新排序。

事實(shí)上，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可從可配置、可編程的電源中受益，正如他們從微控制器、微處理器和 FPGA 等其他類(lèi)型靈活器件中受益那樣。

展望當(dāng)今產(chǎn)品的未來(lái)：設(shè)計(jì)靈活性的諸多優(yōu)勢(shì)

也許電子產(chǎn)業(yè)最顯著的特點(diǎn)就是能夠不斷改進(jìn)集成電路的基本技術(shù)，這要通過(guò)使用更小巧的電路元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些元件的運(yùn)行速度更快，且功耗和制造成本更低。 摩爾定律意味著下一年的數(shù)字邏輯的相對(duì)成本將會(huì)低于前一年，而且性能還會(huì)提升。

隨著數(shù)字邏輯器件的成本日益降低，功能變得更為強(qiáng)大，在可編程軟件中實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路功能的范圍也變得更加廣泛，而原先這些功能僅在硬連線模擬電路中實(shí)現(xiàn)。 通過(guò)數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)的軟件控制可為設(shè)計(jì)人員提供兩大好處：

• 功能增強(qiáng)——比起模擬電路，算法能夠提供更加先進(jìn)和復(fù)雜的控制功能。

• 靈活性——只需將新代碼上傳到存儲(chǔ)器，即可更改在軟件中實(shí)施的控制環(huán)路，這個(gè)過(guò)程可在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)期間無(wú)限重復(fù)。 而在模擬器件中進(jìn)行相同的更改需要重新設(shè)計(jì)電路。 因此，與修改同等的模擬設(shè)計(jì)相比，修改、調(diào)整或增強(qiáng)數(shù)字設(shè)計(jì)規(guī)范要簡(jiǎn)單快捷得多。

事實(shí)上，可編程性和軟件控制的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在電路板電子設(shè)計(jì)架構(gòu)領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)變革，使得靈活的可編程器件類(lèi)型（例如 FPGA、微處理器和微控制器）得到廣泛采用，替代了以前使用的固定功能 ASIC 或?qū)Ｓ脴?biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (ASSP)。

實(shí)際上，電子行業(yè)很久以來(lái)一直都有向可編程或可配置架構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)：英特爾在微處理器技術(shù)領(lǐng)域的成功始于上世紀(jì) 70 年代早期，當(dāng)時(shí) Federico Faggin 率先認(rèn)識(shí)到實(shí)現(xiàn)商業(yè)計(jì)算器設(shè)計(jì)的好處，他利用了在軟件中執(zhí)行計(jì)算功能的通用微處理器，而不是硬連線的 ASIC。

為什么可配置或可編程器件類(lèi)型的靈活性具有如此大的吸引力？

因?yàn)閷?duì)于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)工作的多變環(huán)境而言，它們的靈活性是最有效的應(yīng)對(duì)手段。

• 在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)人員經(jīng)常會(huì)變更設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品的規(guī)格。

• 元器件供應(yīng)商不斷推出新產(chǎn)品，它們提供了經(jīng)過(guò)改進(jìn)的性能和附加的功能，或者具有更低的成本。

• 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，甚至在設(shè)計(jì)完成之后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都會(huì)頻繁更改設(shè)計(jì)，目的是及時(shí)充分利用新技術(shù)。

• OEM 力求通過(guò)在整個(gè)產(chǎn)品系列中重復(fù)使用知識(shí)產(chǎn)權(quán)和生產(chǎn)工具，來(lái)降低設(shè)計(jì)和制造成本。

• OEM 的目標(biāo)通常是利用單個(gè)基礎(chǔ)產(chǎn)品的多種變體，滿足不同細(xì)分市場(chǎng)的需求和不同的客戶要求。

與電路設(shè)計(jì)的其他所有元素相同，這些壓力也會(huì)影響電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

那么，電源供應(yīng)商也能利用數(shù)字邏輯來(lái)提供電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要的靈活性嗎？

可配置和可編程電源提供了多大的靈活性？

靈活的電源以兩種形式提供：可配置電源單元（例如 Artesyn 的 MP 系列）、完全可編程電源（例如 Artesyn 的 iMP 系列）。 這兩種類(lèi)型的電源通過(guò)不同方式使用數(shù)字技術(shù)，為用戶提供設(shè)計(jì)靈活性。

可配置電源包括 AC-DC 數(shù)字控制電源轉(zhuǎn)換前端，具有功率因數(shù)校正 (PFC) 功能，還包括一系列模塊，可選擇用于提供所需的電壓和電流輸出組合。

若要更改輸出值，只需使用一個(gè)模塊替代另一個(gè)模塊即可；底座單元的封裝和板連接保持不變。

圖 1：可配置電源中的典型 DSP 控制輸出模塊的方框圖。

完全可編程電源采用數(shù)字技術(shù)來(lái)控制 AC-DC 前端和各個(gè)模塊。

這樣可以提供更多的靈活性和可控制性：利用可編程電源的軟件接口，設(shè)計(jì)人員不僅能夠微調(diào)電壓和電流輸出，還能夠控制其他重要功能，例如過(guò)溫閾值和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

在 Artesyn 的 iMP 可編程電源中，每個(gè)模塊中的電源轉(zhuǎn)換都是完全數(shù)字控制的，這樣可以支持電池充電例程等智能電源方案的實(shí)現(xiàn)。

圖 2：Artesyn 提供的 iMP 系列可編程電源讓用戶能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。

這些高級(jí)電源可為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供靈活性，包括在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程期間和之后。 確定適當(dāng)?shù)妮斎牒洼敵龉β史秶?，系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以實(shí)施電路板布局，電源封裝和連接在產(chǎn)品生命周期內(nèi)將保持不變。 他們可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)哪K，來(lái)更改輸出電壓或電流值，或者添加額外的輸出，如果使用可編程電源，則可通過(guò)對(duì)數(shù)字控制環(huán)路的軟件更改來(lái)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。

模塊可以即時(shí)更換，既無(wú)需額外的設(shè)計(jì)時(shí)間，也不會(huì)產(chǎn)生一次性工程 (NRE) 或加工費(fèi)用，因?yàn)榈鬃鶈卧姆庋b保持不變。

他們還可對(duì)投入生產(chǎn)的已完成設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，既無(wú)需更改封裝也不需要任何新的工廠加工即實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的更改。

相比之下，更換固定規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)零件來(lái)提供不同的電源輸出，通常需要新的電路板布局和端子，從而大幅延長(zhǎng)設(shè)計(jì)流程和抬升設(shè)計(jì)成本。 如果使用全定制式電源，更改帶來(lái)的影響甚至更大，需要額外的 NRE 費(fèi)用來(lái)支持更改的規(guī)格，在設(shè)計(jì)和制造新電源時(shí)還會(huì)出現(xiàn)延遲。

靈活性如何改變電源系統(tǒng)決策的層級(jí)結(jié)構(gòu)

對(duì)于電子設(shè)計(jì)工程師而言，設(shè)計(jì)要求的易變性是始終都要面對(duì)的一大挑戰(zhàn)。 靈活的可配置電源讓設(shè)計(jì)人員能夠即時(shí)果斷地應(yīng)對(duì)變化，而不會(huì)產(chǎn)生很高的成本。

因此，對(duì)于未來(lái)的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，電源系統(tǒng)決策流程的層級(jí)結(jié)構(gòu)必將發(fā)生一大變化：對(duì)于很多設(shè)計(jì)人員，第一項(xiàng)需要做的決定將變成“采用靈活的電源還是固定功能的電源？” 而不是“采用標(biāo)準(zhǔn)零件還是全定制式設(shè)計(jì)？”

如果設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)面臨著以下任何情況，則從設(shè)計(jì)流程一開(kāi)始，可配置或可編程電源就應(yīng)該成為他們的合理選擇：

1. 功率預(yù)算的不確定性

今天，管理功率預(yù)算不確定性的可接受方法是過(guò)高指定。 傳統(tǒng)功率預(yù)算估計(jì)流程需要預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的每個(gè)功能模塊的功率要求，并為每個(gè)模塊增加一定裕量以防存在誤差。 然后將所有估算值相加，得出整體的功率預(yù)算，再為整體功率預(yù)算添加一定裕量以防存在誤差。

因此，完成后設(shè)計(jì)的實(shí)際功率需求通常遠(yuǎn)低于整體功率預(yù)算的預(yù)測(cè)。 如果使用固定功能電源，則最終設(shè)計(jì)的電源單元的功率會(huì)過(guò)高指定，成本更加昂貴，體積也可能超出需求。

使用可配置或可編程電源，電源的封裝和外形尺寸在設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)即已固定，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中，輸出電壓和電壓值反復(fù)變化。 因此，功率預(yù)算的早期不確定性不會(huì)妨礙設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在最終電源單元中實(shí)現(xiàn)最佳的電源性能、效率和成本組合。

2. 銷(xiāo)售規(guī)格的不確定性

客戶的需求和期望會(huì)不斷變化。 新的市場(chǎng)情報(bào)讓公司能夠更深入了解客戶真正需要的產(chǎn)品。 新推出的元器件能夠提供客戶需要的新功能。

所有這些現(xiàn)象可能導(dǎo)致產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)人員更改他們?yōu)?OEM 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)確定的規(guī)格，甚至在最終產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)已經(jīng)開(kāi)始之后還會(huì)進(jìn)行更改。 在有些情況下，這些更改涉及到不同的功率需求。

使用可配置電源，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠即時(shí)響應(yīng)營(yíng)銷(xiāo)規(guī)格的更改，避免因定制電源規(guī)格更改或更換標(biāo)準(zhǔn)零件而發(fā)生一次性工程成本或設(shè)計(jì)成本。 因此，可配置電源的設(shè)計(jì)流程能夠更靈敏地滿足客戶需求，更快速地響應(yīng)客戶需求的變化，從而讓 OEM 從中受益。

3. 未來(lái)產(chǎn)品修改的不確定性

典型的最終產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)戰(zhàn)略需要基于通用的平臺(tái)推出多種擴(kuò)展產(chǎn)品。 這樣可以重復(fù)使用知識(shí)產(chǎn)權(quán)和生產(chǎn)工具，同時(shí)滿足不同細(xì)分市場(chǎng)的需求，針對(duì)每個(gè)細(xì)分市場(chǎng)的客戶提供優(yōu)化的產(chǎn)品。

但是，市場(chǎng)需要平臺(tái)產(chǎn)品有多少變體呢？ 這些變體需減少功能來(lái)降低成本，還是增加功能來(lái)增添價(jià)值？

在設(shè)計(jì)平臺(tái)產(chǎn)品時(shí)，我們很少知道這些問(wèn)題的答案。 因此，我們也無(wú)法提前了解基礎(chǔ)產(chǎn)品的每種衍生產(chǎn)品的最終功率需求。

可配置電源可以讓 OEM 設(shè)計(jì)人員免于這種不確定性，能以單個(gè)板布局和電源封裝滿足多種不同的功率需求。 只需更換固定式底座單元內(nèi)的模塊，即可輕松應(yīng)對(duì)不同的功率需求。

因此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以非常靈敏地應(yīng)對(duì)不同的客戶要求，因?yàn)樗麄兡軌蜥槍?duì)每種變體，快速實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的電源系統(tǒng)，而不會(huì)產(chǎn)生很高的成本。

使用靈活電源所能獲得的諸多優(yōu)勢(shì)

本文認(rèn)為，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)在決策流程開(kāi)始時(shí)就確定使用靈活電源還是固定功能電源問(wèn)題。

即便類(lèi)似的標(biāo)準(zhǔn)零件能夠以更低成本滿足他們的即時(shí)需求，有些設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還是會(huì)選擇使用可配置電源。 他們這樣做的原因是靈活性的價(jià)值超出了使用可配置電源的少量額外成本。 在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)，很多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)會(huì)發(fā)現(xiàn)，選擇可配置電源的成本要低于依賴(lài)標(biāo)準(zhǔn)零件的成本。

降低物料成本

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以按照設(shè)計(jì)要求指定電源，而不需要過(guò)高指定以便為更改或預(yù)估誤差留出裕量。

縮短產(chǎn)品面市時(shí)間

標(biāo)準(zhǔn)零件或全定制電源的用戶需要花費(fèi)時(shí)間來(lái)重新設(shè)計(jì)電路板布局和生產(chǎn)工具，以適應(yīng)更改的電源。相反，可配置電源的用戶只需更換底座單元中的模塊即可。

圖 3：靈活電源的好處。

降低設(shè)計(jì)成本

當(dāng)功率需求變化時(shí)，電路板布局和端接可以保持不變。

設(shè)計(jì)更出色，更能吸引客戶

可配置電源的用戶能夠開(kāi)發(fā)出更多變體，提供更加多樣化的功能，對(duì)不同細(xì)分市場(chǎng)具有更強(qiáng)的吸引力。 他們可以制造變體，以適應(yīng)新的電源規(guī)格，而無(wú)需新的電路板布局或新的生產(chǎn)工具。 只需更換電源模塊，就可即時(shí)完成更改。

Artesyn Embedded Technologies 提供的可配置和可編程電源

Artesyn 同時(shí)提供可配置和全可編程電源。

μMP 系列

在高密度 1U 類(lèi)型電源中，Artesyn μMP 系列 (MicroMP) 可配置電源支持從 400 W 到 1800 W 的功率需求。 μMP 系列的成本與非可配置電源相當(dāng)，同時(shí)還具有市場(chǎng)領(lǐng)先的密度、效率和可靠性。

圖 4：Artesyn 的 MicroMP 系列可配置電源。

Artesyn μMP 系列通過(guò)了 EN60950 ITE 和 EN60601（醫(yī)療）安全認(rèn)證，提供最多 12 個(gè)輸出和智能風(fēng)扇控制，還可對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、溫度、輸出電壓和輸出電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

讀數(shù)使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) PMBus? 接口通過(guò)該器件的 I2C 接口傳輸。

iMP 系列

Artesyn 提供的所有 iMP 系列 AC-DC 可配置電源都是完全可編程的。 外殼和各個(gè)電源模塊都采用積分型微控制器，以最大程度地提高控制靈活性，主控制器和電源之間的所有通信都使用 PMBus 協(xié)議進(jìn)行處理。

圖 5：Artesyn 的 iMP 系列可配置電源。

設(shè)置 iMP 系列可配置電源模塊極為簡(jiǎn)單。 每款 iMP 系列可配置電源附帶提供的控制軟件可在任何一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn) PC 上的 Microsoft Windows? 操作系統(tǒng)下運(yùn)行，通過(guò)易于使用的圖形用戶界面進(jìn)行操作。

所有模塊和工作參數(shù)都顯示在同一個(gè)控制屏幕上。 除了定義模塊的輸出電壓和電流之外，設(shè)計(jì)人員還可輕松調(diào)節(jié)其 OVP、UVP 和 OTP 限制，更改其 OCP 模式和控制信號(hào)，甚至在需要時(shí)強(qiáng)制執(zhí)行風(fēng)扇轉(zhuǎn)速超馳。

圖 6：Artesyn Embedded Technologies 提供的 iMP 系列可編程電源的數(shù)字控制延伸到參數(shù)配置方面，例如過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)。

iVS? 系列

Artesyn iVS? 系列模塊化 AC-DC 電源支持最高達(dá)到 4920 W 輸出能力的高功率應(yīng)用。 iVS 單元讓用戶能夠通過(guò) I2C 接口來(lái)監(jiān)視和控制電源的眾多屬性。

圖 7：Artesyn 支持最高 4920 瓦應(yīng)用的 iVS 系列示例。

這些系列提供七種類(lèi)型的模塊，包括單輸出、雙輸出和三輸出單元，功率輸出最高達(dá)到 1500 W。iVS 系列提供 25 種標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓，從 2 VDC 到 60 VDC，并能夠提供最多 24 個(gè)輸出。 通過(guò)并聯(lián)和/或串聯(lián)模塊，可以達(dá)到最高 970 A 的電流和最高 500 V 的電壓。