高度灵活的可配置电源系统设计

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1、只要严格按照全新的评估标准选购电源产品，厂商便可减少物料和开发成本，工程师也可节省设计时 间，而新开发的产品也更能满足客户的要求。下文为您一一细说其中的因由。高度灵活的可配置电源系统设计作者 : Chris Jones 市场营销总监 雅特生科技嵌入式电源产品部 Artesyn Embedded Technologies Artesyn Embedded Technologies P2如何为 100W 以上的大功率电子产品选择合适的电 源？这个问题看似非常简单。设计团队基本上有三个方案可供选择：规格固定的标准元件：这些标准元件的规格参 数都指定在一个细小的范围之内，因此只适用 于一般电路设计经常

2、采用的输入和输出。全面客制的设计：系统的功率、输出数目、尺 寸大小、相关的环保规定以及其他必要的参数 都必须符合用户的严格规定。可配置或可编程电源：可配置电源的功率大小 有较多选择，而且功率输出的数目也较多。工 程师只需挑选一款适用的模块插在原有的底座 内取代旧模块，便可改变电源的规格参数。可 编程电源的优点是用户可以灵活微调任何模块 的输入和输出参数。一直以来工程师都按照传统的评估标准选择电源。根据传统的标准，标准元件是他们最优先的选择。 大部分工程师都以为只要情况许可，应尽量采用标 准元件。按照这个传统的想法，任何标准的输入 / 输 出组合都应搭配标准元件，因为只有这样才可充分 发挥成本效

3、益、尺寸大小和效率等方面的优势。这种想法的背后也有它的理据，因为每一标准元件 都是专为某一特定输入 / 输出的规格要求而优化，而 且标准元件都有批量供货，能满足众多客户的需求， 因此客户可以达致规模经济的效益。若标准元件的输入 / 输出不符合电源系统设计的规格 要求，全客制的元件是许多工程师的次佳选择，这 也是一向以来的习惯。客制元件的优点是其设计完 全按照个别客户的要求而优化，因此无论是性能、 物料成本的节省幅度、效率还是其他规格参数，都 完全符合设计工程师的严格要求。但对于部分开发项目来说，若采用全客制的元件， 成效反而不大理想。最常见的问题是新开发产品的 寿命周期并不很长，以致预期的投资

4、回报不很高， 不值得采用开发成本较高的客制方案。此外，客制方案的另一缺点是开发时间较长，因此 产品会较迟推出市场。一直以来，工程师要在完全没有更佳选择的情况下， 亦即客观情况清楚显示标准电源与客制电源都不适 用时，才会考虑选用可配置电源。换言之，可配置 电源实际上是设计团队在没有选择之下的选择。本文作者认为可配置电源应该是大部分项目经理和 电源系统设计工程师的首选电源。可配置电源：并非别无选择之下的选择可配置电源兼具标准电源与客制电源的优点。可配置电源与客制电源一样，可让系统设计工程师 选用能符合其严格要求但标准电源模块则无法提供 的额定输出功率。此外，标准电源模块一般只提供 一或两个功率输出

5、，但可配置电源则有更多输出。可配置电源由多个标准模块组成，全部装嵌在同一 底座之内。这个设计的优点是电源的配置过程远比全客制设计 简单快捷，因此像采用标准电源一样，可以确保产 品更快推出市场。此外，若以成本计，可配置电源的竞争能力一般都 不逊色于功能固定而且属同一级别的标准产品。至 于是否低于全客制电源？这便要看全客制电源的订 购量。传统的设计观念认为只有在标准型或全客制的电源 都不适用的情况下才考虑选用可配置电源。若电子产品的开发过程有以下的情况出现，上述的 论断还可接受：选择电源的决定相对独立，不受初期构思以及 终端产品的最后设计所影响选择的过程和结果都可预测，而且可以轻易管 理对于某些设

6、计来说，实际情况可能如此。但对于许多系统设计工程师来说，实际情况并非这 样简单，例如，终端产品的设计不断修改，而且一 款产品会派生出一系列不同型号的产品。此外，规 格参数理论上早已在设计初期确定下来，但在实际 操作时这些参数会在产品开发过程中随着市场变化 或新技术的出现而不断修订。对于设计这类产品的系统设计工程师来说，可配置 电源的特性便成为它的独特价值。他们必须改变传 统的思维方式，采用新的标准评估电源的优劣。事实上，可配置和可编程电源一如微控制器、处理 器和 FPGA 芯片等元器件一样具有高度的灵活性， 可以确保工程师在设计新产品时有较大的发挥空间。Artesyn Embedded Tec

7、hnologies P3为产品创造美好的明天：设计灵活性及其 众多优点电子业的最大亮点是集成电路的基本技术不断发展 改进，例如采用的电路日趋小巧，速度不断提升， 但能耗与成本则不断下跌。根据摩尔定律的预测， 未来一年的数字逻辑电路的成本将会低于刚过去的 一年，但性能则会更高。数字逻辑电路的售价不断下跌，其性能则不断上升。 这个趋势若持续下去，以前利用硬件如模拟电路执行 的控制环路功能便大有机会改用可编程的软件执行。 添加了软件控制功能的数字电路有以下两个大优点：功能提升 - 算法可以提供远比模拟电路先进及 复杂的控制功能灵活性 - 工程师只需将新代码上载至内存之 内，便可轻易改变控制环路软件的

8、功能，而且 在产品的开发周期内可以反覆修改，次数不限。 若模拟电路要进行同样的修改，便必须重新设 计电路，因此修改或改善数字电路设计的规格 参数远比修改同类的模拟电路设计来得容易和 快捷。事实上，可编程特性和软件控制功能都有它们的优 点，因此电子产品的系统架构也不得不因应这个新 发展而不断作出改变，以便新产品可以充分利用这 些优点。正因如此，系统设计工程师纷纷大量采用 高度灵活的可编程元件如 FPGA 芯片、处理器和微 控制器，取代以前常用但只能提供固定功能的特殊 应用集成电路 （ASIC） 或特殊应用标准产品 （ASSP） 。其实多年来电子业一直朝着可编程或可配置架构的 方向发展。早在 19

9、70 年代初，Federico Faggin 首次 采用通用的处理器组建商用计算机，利用在处理器 内运行的软件而非 ASIC 电路执行计算功能。当时他 清楚知道这台计算机有极大的发展潜力。开发微处 理器技术的英特尔公司正正是从这个时候开始踏上 成功之路。为何这么多工程师喜欢选用具有高度灵活性的可配 置或可编程元件？理由之一是系统设计工程师必须灵活作出应变才可 在瞬息万变的环境之中生存，而灵活性正正是作出 应变的可靠工具。事实上，负责市场营销的决策者经常在产品的开发 过程中修改产品的规格参数。此外，元件供应商不断推出性能更高、功能更齐备 或售价更低的新产品。在设计过程中或完成之后，设计团队自己也

10、会不时 修改设计，以便充分利用刚刚面世的新技术。为了降低设计和生产成本，OEM 厂商开发同一系列 产品的不同型号时，都会尽量再次使用其专利技术 和生产模具。OEM 厂商一般都希望可以利用一款产品作为通用的 平台，藉此开发其他同类产品，以便满足不同市场 板块和不同客户的要求。上述来自各方面的压力都会影响系统设计的各个环 节，供电系统的设计当然也会受其影响。电源若果能够充分利用数字逻辑电路的灵活性，是 否就可以提供足够的空间让工程师可以灵活作出应 变？Artesyn Embedded Technologies P4可配置电源和可编程电源可为工程师提供 多少灵活应变的空间？具有高度灵活性的电源分为两

11、大类，一类是可配置 的电源，例如雅特生的 MP 系列，另一类则是可全 面编程的电源，例如雅特生的 iMP 系列。这两类电 源以不同方式利用数字技术执行控制功能，让工程 师在进行设计时有更大的空间可以灵活作出应变。可配置电源内含具备功率因数校正（PFC）功能的数 字控制交流 / 直流电源转换前端电路，另外还搭配另 一电源模块，可供搭配的电源模块有很多款，究竟 哪一型号最适合则取决于可配置电源要求的电压 / 电 流输出组合。工程师只需更换另一电源模块便可轻易改变输出数 值，但电源的尺寸大小和底座的电路板接线则保持 不变。内置于可配置电源之内并可利用数字信号处理器进行控制的典型 输出模块 - 结构框

12、图可全面编程的电源则利用数字技术控制交流 / 直流前 端电路和每一电源模块。这个设计的优点具有更大的灵活性和可控性。由于 可编程电源已预载了控制软件，因此系统设计工程 师不但可以利用软件微调电压和电流输出，而且还 可控制其他重要功能，例如监控过热阈值及扇速。以雅特生的 iMP 可编程电源为例，每一电源模块的 电源转换操作过程都置于全面数字化的控制之下， 而数字化控制又可支持智能供电系统的各种先进设 计，例如充电例行程序。雅特生的 iMP 系列可编程电源已预载控制软件，让用户可以通 过软件实时监控系统的操作情况由于这些电源具备先进的功能，因此系统设计工程 师可以在产品开发过程中以及完成之后因应不

13、同情 况灵活作出应变。设计团队确定选用某一输入和输 出电压范围之后，便可决定电路板的布局，之后即 使产品在其寿命周期内出现什么新的变化，电源的 尺寸大小和接线都会保持不变。工程师若想改变输出电压或电流值，或添加更多输 出， 只需更换适用的电源模块便可。 至于可编程电源， 工程师只需通过软件修改数字控制环路的参数便可。电源模块可以轻易更换，而且分秒之间便可完成， 不会占用工程师的设计时间，他们也无需缴付一笔 一次性的工程费或模具费，因为电源底座的尺寸大 小没有改变。即使已完成全部设计并已进入生产阶段，电源的规 格参数也可修改，但参数的改动不会影响电源的尺 寸大小，也无需改用新的生产模具。相比之下

14、，若采用规格已固定的标准元件，改变功 率输出便必须更换另一元件，其中的工序并不简单。 一般来说，电路板的布局和端子必须重新设计，令 设计时间和成本大幅增加。若采用全客制的电源， 任何改动都会产生更严重的后果，例如，客户必须 缴付一笔一次性的工程费才可修订规格参数，而且 设计和生产的延误会令新产品无法如期上市。Artesyn Embedded Technologies P5厂商选择电源产品时灵活性是否足以左右 决定电子系统设计工程师永远要面对不确定的前景和瞬 息万变的市场。但他们只要采用高度灵活的可配置 电源，便可在波动不定的市场中以果断的精神迅速 作出应变，而且所需的成本也较低。因此，未来一代

15、的电源系统设计工程师会采用全新 的标准评估各种电源产品的优劣。对于许多工程师 来说，首选的电源将会是“高度灵活的电源还是功 能固定的电源”，而不是“标准电源或全客制电源”。设计团队若面对以下情况，便应该早在设计的开始 阶段当机立断，选用可配置或可编程的电源：1. 电源规格无法确定 若电源规格无法一时确定，一般的应对方法是将参 数的适用范围定得较宽。一直以来，工程师按照估 算的用电量确定电源规格时，往往先估计系统设计 中每一功能块的所需电量，并为每个估算数值的误 差预留一点容限。每个估算值若相加一起，便成为 整个系统所需的供电量，工程师也需为这个总供电 量的估算误差预留一点容限。结果，最终设计所

16、需的真正供电量很多时远远低于 先前估算的总供电量。若果采用功能固定的电源， 最终设计的电源规格参数都会高于实际所需，其缺 点是不但成本更昂贵，而且体积可能比实际所需大。若采用可配置或可编程的电源，其尺寸大小和高度 都可在设计开始时确定，但输出电压和电流的数值 则可以在整个设计过程中反覆加以修订。因此即使 设计初期无法确定电源的规格参数，设计团队仍可 以此为基础筛选出一个优化的设计方案，确保系统 无论在功率、效率还是成本效益方面都能充分发挥 其优势。2. 市场瞬息万变以致无法确定电源规格 顾客的需要不断在变。市场上的最新情报清楚显示 顾客的真正需要。此外，某一新推出的元件可能会 具备许多大受顾客欢迎的崭新功能。即使终端产品已进入开发阶段，OEM 厂商的市场营 销人员也会因应市场变化修改设计团队先前确定的 规格参数。部分产品的规格如果一经改动，电源的 规格也不得不作出相应的修订。可配置电源的优点是设计团队可以因应市场变化作 出即时应变，但又无需像采用客制电源那样多花一 笔一次性的工程费，也无需像采用标准电源那样要 为更换另一电源而增加设计成本。