了解电源系统设计中灵活性和可配置性的真正好处

日期:2017-03-01

作者:Chris Jones, Marketing Director Embedded Power, Artesyn Embedded Technologies

 
对于设计有大功率 (>100 W) 需求的电子产品来说,选择电源类型的方法似乎简单明了。
设计团队有三个基本选择:
  • 固定规格的标准零件。标准零件的规格范围有限,支持电路设计中最常指定的输入和输出。
  • 全定制式设计,按照用户的具体规格定制,包括功率、输出数、外形尺寸、环境保护和其它任何必需参数。
  • 可配置或可编程电源。通过选择安装在常用底座单元中的适当模块,可配置电源单元能够支持多种电源规格,还支持不同数量的电源输出。可编程电源为用户提供了灵活性,让他们能够微调任何给定模块的输入和输出规格。
在决定电源规格时,传统思路是采用层级式决策流。
这种层级结构的顶部是标准零件。设计人员普遍认为:只要设计能够使用标准零件,就应该这样做。按照传统思维,对于任何标准输入/输出组合,标准零件都能实现最优的成本、尺寸和效率组合。
这是因为标准零件专门针对一种输入/输出规格进行了优化;还因为它是针对多家客户大批量生产的,存在规模经济优势。
但是,如果标准零件没有提供电源设计需要的输出组合,传统层级结构中下一个选择就是全定制零件:这样可为设计团队提供完全符合设计需要的规格,使设计在性能、低物料成本、效率以及客户规定的其他参数方面得到优化。
但是,全定制式解决方案不适合某些产品开发项目。最常见的原因是,项目在产品生命周期内无法创造足够的价值,因而定制解决方案的开发成本也不具备合理性。或者使用定制设计需要花费的时间过长,无法及时将产品推向市场。
传统上,决策流的末端才是可配置电源,只有在标准零件或定制电源单元显然不适用的情况下,才会选择它。换而言之,可配置电源被视为设计人员最后的无奈选择。
事实上,本文认为可配置电源才是大多数项目经理的第一选择,电源设计人员应该优先考虑采用。

可配置电源:不该只是第三选择?

可配置电源同时结合了标准零件和全定制电源的某些优势。
与定制电源相同,可配置电源让设计团队能够指定标准零件无法支持的精确输出功率额定值,而不仅只是支持标准零件通常提供的单个或两个电源输出。
可配置电源是通过在多个标准模块的通用底座单元中组装而成的。
这意味着配置流程远快于全定制式设计流程,因而产品能如标准零件那样快速面市。
此外,与固定功能标准零件和全定制式设计相比,可配置电源的总拥有成本通常具有很强的竞争力,具体取决于数量。
但是,按照传统思维,只有在无法使用标准零件或全定制式电源的情况下,才应选择可配置电源。
当电子产品设计被视为以下性质的过程时,这种选择方式似乎显得合理:
  • 过程分散,前代和后续的最终产品设计相互分开
  • 过程可预测且易于管理
这些条件可能适用于一定比例的设计。
但是,很多设计团队面临的实际情况是最终产品不断演进,产生的变体也是产品系列的一部分;在开发过程中,随着市场或技术的变化,设计规范(理论上应该在设计流程开始时确定)实际上不断修改。
对于这些设计团队,可配置电源的特性具有更大的意义,因而必须对电源选择决策流程的层级结构进行重新排序。
事实上,电源系统设计人员可从可配置、可编程的电源中受益,正如他们从微控制器、微处理器和 FPGA 等其他类型灵活器件中受益那样。

展望当今产品的未来:设计灵活性的诸多优势

也许电子产业最显著的特点就是能够不断改进集成电路的基本技术,这要通过使用更小巧的电路元件来实现,这些元件的运行速度更快,且功耗和制造成本更低。摩尔定律意味着下一年的数字逻辑的相对成本将会低于前一年,而且性能还会提升。
随着数字逻辑器件的成本日益降低,功能变得更为强大,在可编程软件中实现控制环路功能的范围也变得更加广泛,而原先这些功能仅在硬连线模拟电路中实现。通过数字器件实现的软件控制可为设计人员提供两大好处:
  • 功能增强——比起模拟电路,算法能够提供更加先进和复杂的控制功能。
  • 灵活性——只需将新代码上传到存储器,即可更改在软件中实施的控制环路,这个过程可在产品开发期间无限重复。而在模拟器件中进行相同的更改需要重新设计电路。因此,与修改同等的模拟设计相比,修改、调整或增强数字设计规范要简单快捷得多。
事实上,可编程性和软件控制的优势已经在电路板电子设计架构领域掀起了一场变革,使得灵活的可编程器件类型(例如 FPGA、微处理器和微控制器)得到广泛采用,替代了以前使用的固定功能 ASIC 或专用标准产品 (ASSP)。
实际上,电子行业很久以来一直都有向可编程或可配置架构发展的趋势:英特尔在微处理器技术领域的成功始于上世纪 70 年代早期,当时 Federico Faggin 率先认识到实现商业计算器设计的好处,他利用了在软件中执行计算功能的通用微处理器,而不是硬连线的 ASIC。
为什么可配置或可编程器件类型的灵活性具有如此大的吸引力?
因为对于设计团队工作的多变环境而言,它们的灵活性是最有效的应对手段。
  • 在开发过程中,产品营销人员经常会变更设计团队正在开发的产品的规格。
  • 元器件供应商不断推出新产品,它们提供了经过改进的性能和附加的功能,或者具有更低的成本。
  • 在设计过程中,甚至在设计完成之后,设计团队都会频繁更改设计,目的是及时充分利用新技术。
  • OEM 力求通过在整个产品系列中重复使用知识产权和生产工具,来降低设计和制造成本。
  • OEM 的目标通常是利用单个基础产品的多种变体,满足不同细分市场的需求和不同的客户要求。
与电路设计的其他所有元素相同,这些压力也会影响电源系统的设计。
那么,电源供应商也能利用数字逻辑来提供电源系统设计人员需要的灵活性吗?

可配置和可编程电源提供了多大的灵活性?

灵活的电源以两种形式提供:可配置电源单元(例如ArtesynMP 系列)、完全可编程电源(例如 Artesyn 的iMP 系列)。这两种类型的电源通过不同方式使用数字技术,为用户提供设计灵活性。
可配置电源包括 AC-DC 数字控制电源转换前端,具有功率因数校正 (PFC) 功能,还包括一系列模块,可选择用于提供所需的电压和电流输出组合。
若要更改输出值,只需使用一个模块替代另一个模块即可;底座单元的封装和板连接保持不变。

1:可配置电源中的典型 DSP 控制输出模块的方框图
完全可编程电源采用数字技术来控制 AC-DC 前端和各个模块。
这样可以提供更多的灵活性和可控制性:利用可编程电源的软件接口,设计人员不仅能够微调电压和电流输出,还能够控制其他重要功能,例如过温阈值和风扇转速。
在 Artesyn 的 iMP 可编程电源中,每个模块中的电源转换都是完全数字控制的,这样可以支持电池充电例程等智能电源方案的实现。

2Artesyn 提供的 iMP 系列可编程电源让用户能够实时监控系统状态
这些高级电源可为电源系统设计人员提供灵活性,包括在产品开发流程期间和之后。确定适当的输入和输出功率范围之后,系统设计团队可以实施电路板布局,电源封装和连接在产品生命周期内将保持不变。他们可以通过选择适当的模块,来更改输出电压或电流值,或者添加额外的输出,如果使用可编程电源,则可通过对数字控制环路的软件更改来实现这些目标。
模块可以即时更换,既无需额外的设计时间,也不会产生一次性工程 (NRE) 或加工费用,因为底座单元的封装保持不变。
他们还可对投入生产的已完成设计进行修改,既无需更改封装也不需要任何新的工厂加工即实现对电源的更改。
相比之下,更换固定规格的标准零件来提供不同的电源输出,通常需要新的电路板布局和端子,从而大幅延长设计流程和抬升设计成本。如果使用全定制式电源,更改带来的影响甚至更大,需要额外的 NRE 费用来支持更改的规格,在设计和制造新电源时还会出现延迟。

灵活性如何改变电源系统决策的层级结构

对于电子设计工程师而言,设计要求的易变性是始终都要面对的一大挑战。灵活的可配置电源让设计人员能够即时果断地应对变化,而不会产生很高的成本。
因此,对于未来的电源系统设计人员而言,电源系统决策流程的层级结构必将发生一大变化:对于很多设计人员,第一项需要做的决定将变成“采用灵活的电源还是固定功能的电源?” 而不是“采用标准零件还是全定制式设计?”
如果设计团队面临着以下任何情况,则从设计流程一开始,可配置或可编程电源就应该成为他们的合理选择:

1. 功率预算的不确定

今天,管理功率预算不确定性的可接受方法是过高指定。传统功率预算估计流程需要预测设计的每个功能模块的功率要求,并为每个模块增加一定裕量以防存在误差。然后将所有估算值相加,得出整体的功率预算,再为整体功率预算添加一定裕量以防存在误差。
因此,完成后设计的实际功率需求通常远低于整体功率预算的预测。如果使用固定功能电源,则最终设计的电源单元的功率会过高指定,成本更加昂贵,体积也可能超出需求。
使用可配置或可编程电源,电源的封装和外形尺寸在设计开始时即已固定,但在设计过程中,输出电压和电压值反复变化。因此,功率预算的早期不确定性不会妨碍设计团队在最终电源单元中实现最佳的电源性能、效率和成本组合。

2. 销售规格的不确定

客户的需求和期望会不断变化。新的市场情报让公司能够更深入了解客户真正需要的产品。新推出的元器件能够提供客户需要的新功能。
所有这些现象可能导致产品营销人员更改他们为 OEM 设计团队确定的规格,甚至在最终产品的开发已经开始之后还会进行更改。在有些情况下,这些更改涉及到不同的功率需求。
使用可配置电源,设计团队能够即时响应营销规格的更改,避免因定制电源规格更改或更换标准零件而发生一次性工程成本或设计成本。因此,可配置电源的设计流程能够更灵敏地满足客户需求,更快速地响应客户需求的变化,从而让 OEM 从中受益。

3. 未来产品修改的不确定

典型的最终产品营销战略需要基于通用的平台推出多种扩展产品。这样可以重复使用知识产权和生产工具,同时满足不同细分市场的需求,针对每个细分市场的客户提供优化的产品。
但是,市场需要平台产品有多少变体呢?这些变体需减少功能来降低成本,还是增加功能来增添价值?
在设计平台产品时,我们很少知道这些问题的答案。因此,我们也无法提前了解基础产品的每种衍生产品的最终功率需求。
可配置电源可以让 OEM 设计人员免于这种不确定性,能以单个板布局和电源封装满足多种不同的功率需求。只需更换固定式底座单元内的模块,即可轻松应对不同的功率需求。
因此,设计团队可以非常灵敏地应对不同的客户要求,因为他们能够针对每种变体,快速实现优化的电源系统,而不会产生很高的成本。

使用灵活电源所能获得的诸多优势

本文认为,设计团队应在决策流程开始时就确定使用灵活电源还是固定功能电源问题。
即便类似的标准零件能够以更低成本满足他们的即时需求,有些设计团队还是会选择使用可配置电源。他们这样做的原因是灵活性的价值超出了使用可配置电源的少量额外成本。在产品的生命周期内,很多设计团队会发现,选择可配置电源的成本要低于依赖标准零件的成本。

降低物料成本

设计团队可以按照设计要求指定电源,而不需要过高指定以便为更改或预估误差留出裕量。

缩短产品面市时间

标准零件或全定制电源的用户需要花费时间来重新设计电路板布局和生产工具,以适应更改的电源。相反,可配置电源的用户只需更换底座单元中的模块即可。

3:灵活电源的好处

降低设计成

当功率需求变化时,电路板布局和端接可以保持不变。

设计更出色,更能吸引客户

可配置电源的用户能够开发出更多变体,提供更加多样化的功能,对不同细分市场具有更强的吸引力。他们可以制造变体,以适应新的电源规格,而无需新的电路板布局或新的生产工具。只需更换电源模块,就可即时完成更改。

Artesyn Embedded Technologies 提供的可配置和可编程电源

Artesyn 同时提供可配置和全可编程电源。

μMP系列

在高密度 1U 类型电源中,Artesyn μMP 系列 (MicroMP) 可配置电源支持从 400 W 到 1800 W 的功率需求。 µMP 系列的成本与非可配置电源相当,同时还具有市场领先的密度、效率和可靠性。

4Artesyn MicroMP 系列可配置电源
Artesyn µMP 系列通过了 EN60950 ITE 和 EN60601(医疗)安全认证,提供最多 12 个输出和智能风扇控制,还可对风扇转速、温度、输出电压和输出电流等参数进行监控。
读数使用行业标准 PMBus™ 接口通过该器件的 I2C 接口传输。

iMP系列

Artesyn 提供的所有 iMP 系列 AC-DC 可配置电源都是完全可编程的。外壳和各个电源模块都采用积分型微控制器,以最大程度地提高控制灵活性,主控制器和电源之间的所有通信都使用 PMBus 协议进行处理。

图 5:Artesyn 的 iMP 系列可配置电源
设置 iMP 系列可配置电源模块极为简单。每款 iMP 系列可配置电源附带提供的控制软件可在任何一台标准 PC 上的 Microsoft Windows® 操作系统下运行,通过易于使用的图形用户界面进行操作。
所有模块和工作参数都显示在同一个控制屏幕上。除了定义模块的输出电压和电流之外,设计人员还可轻松调节其 OVP、UVP 和 OTP 限制,更改其 OCP 模式和控制信号,甚至在需要时强制执行风扇转速超驰。

图 6:Artesyn Embedded Technologies 提供的 iMP 系列可编程电源的数字控制延伸到参数配置方面,例如过压保护、过流保护和过热保护

iVS™ 系列

Artesyn iVS™ 系列模块化 AC-DC 电源支持最高达到 4920 W 输出能力的高功率应用。iVS单元让用户能够通过 I2C 接口来监视和控制电源的众多属性。

7Artesyn 支持最高 4920 应用的 iVS 系列示例。
这些系列提供七种类型的模块,包括单输出、双输出和三输出单元,功率输出最高达到 1500 W。iVS系列提供 25 种标准输出电压,从 2 VDC到 60 VDC,并能够提供最多 24 个输出。通过并联和/或串联模块,可以达到最高 970 A 的电流和最高 500 V 的电压。
 
 

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