引言

     在設(shè)計過程中，尋求優(yōu)化的動機(jī)有很多，尤其是在電源子系統(tǒng)方面，人們通常認(rèn)為子系統(tǒng)是一種麻煩但必不可少、又不直接幫助高價值系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能集的設(shè)備。電源解決方案往往也是系統(tǒng)物料清單 (BOM) 中價格最昂貴的元器件之一。這些原因，加上直接重用合格設(shè)計模塊或商用電源模塊所帶來的信心，是從一個項(xiàng)目到另一個項(xiàng)目大力推行利用/重用策略的主要動機(jī)。

典型電源解決方案設(shè)計過程回顧

     為了真正了解推動利用/重用電源解決方案的動機(jī)，最好花一點(diǎn)時間來探索典型的設(shè)計過程，并找出推動此類策略的機(jī)會/差距。無論是直接的電源利益相關(guān)者還是電源設(shè)計服務(wù)的接收端，如果以下概括過程與任何個人經(jīng)歷產(chǎn)生共鳴，那么他們的觀點(diǎn)可能并不獨(dú)特。

     圖 1 提供了團(tuán)隊(duì)從概念到實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率預(yù)算和物理/環(huán)境約束可能采取的典型高級步驟。好吧，這并不是很正式，可能還有點(diǎn)滑稽，但仍然包含了很多真實(shí)的成分?！澳Хā钡牟糠执砹擞捎谙到y(tǒng)功率預(yù)算過高而產(chǎn)生的不切實(shí)際的需求，從數(shù)學(xué)上來說，這可能要求效率/密度/瞬態(tài)響應(yīng)，而這些效率/密度/瞬態(tài)響應(yīng)對于現(xiàn)有的產(chǎn)品類別來說要么非常不切實(shí)際，要么甚至與最先進(jìn)技術(shù) (SOTA) 所具備的水平完全不一致。

Rx“官方”電源設(shè)計過程

●步驟 1：所有系統(tǒng)利益相關(guān)者（通常不包括電源利益相關(guān)者）共同構(gòu)建一個系統(tǒng)。

●步驟 2：通過對系統(tǒng)中所有主要負(fù)載的最大值進(jìn)行求和來確定系統(tǒng)功率預(yù)算。

●步驟 3：與機(jī)械/熱管理利益相關(guān)者確認(rèn)可行性。

●S步驟 4：向電源利益相關(guān)者提供功率預(yù)算、容量限制和項(xiàng)目時間表。

●步驟 5：魔法？！？（即不考慮物理定律和現(xiàn)實(shí)世界的限制）

PowerRox 提供的“官方”電源設(shè)計過程

     一個關(guān)鍵要點(diǎn)在于，即使電源利益相關(guān)者要對最終結(jié)果負(fù)責(zé)，但他們往往不是構(gòu)成初始階段過程中不可或缺的一部分。鑒于專業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域需要多學(xué)科背景（通常僅來自多年的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)），人們常常感到疑惑，在子系統(tǒng)的早期設(shè)計過程中，為何很少尋求電源利益相關(guān)者的觀點(diǎn)，而子系統(tǒng)往往是系統(tǒng)尺寸、重量、功率和成本（即著名 SWaP-C 因素）優(yōu)化的主要控制因素。由于電子設(shè)備在沒有電源的情況下無法運(yùn)行，因此性能和可靠性也應(yīng)添加到該列表中。除了要求項(xiàng)目開發(fā)過程完美無誤之外，還希望項(xiàng)目時間線能比之前的產(chǎn)品縮短 10% 的上市時間 (TTM)，這只是在所有這些理想化要求上的錦上添花。

     現(xiàn)在進(jìn)入談判過程。工程師們都接受過培訓(xùn)善于解答問題，因此當(dāng)面臨一系列挑戰(zhàn)性問題時，他們的本能反應(yīng)就是開始深入研究解決方案（例如 - 是否存在現(xiàn)有器件可以滿足這種功率密度和尺寸？氣流應(yīng)該從前到后還是從后到前才能滿足系統(tǒng)熱范圍的要求？諸如此類…）。這不僅是一個起點(diǎn)，也是首次深入探討系統(tǒng)預(yù)算及其形成原因的機(jī)會。例如，所有負(fù)載（尤其是大負(fù)載）同時消耗最大電流的頻率是多少？顯然，許多子系統(tǒng)設(shè)計與其他子系統(tǒng)反相位（例如，計算與內(nèi)存功率需求或睡眠/喚醒/傳送操作周期的經(jīng)典示例），因此最大值之和（通?；跀?shù)據(jù)表，該數(shù)據(jù)表可能從一個不切實(shí)際且包含安全裕度的最大值開始）對整體功率預(yù)算有意義的情況實(shí)為罕見。從開始到最終完成，考慮功率預(yù)算的每個重要因素。每個利益相關(guān)者也會額外增加預(yù)算以應(yīng)對不確定因素，因此累積起來確實(shí)是一筆不小的數(shù)目。這些額外的負(fù)擔(dān)在設(shè)計上耗費(fèi)了大量的金錢和資源，以應(yīng)對即使是在最極端的使用情況下也能出現(xiàn)的完全不切實(shí)際的操作場景。

     在對抗系統(tǒng)功率預(yù)算過度膨脹的斗爭中，另一個關(guān)鍵點(diǎn)是知道何時能夠識別到預(yù)算優(yōu)化的最大機(jī)會。從系統(tǒng)中最大、需求最高的負(fù)載開始，與最了解負(fù)載實(shí)際功率需求的關(guān)鍵利益相關(guān)者交談，并盡可能獲取真實(shí)的特性數(shù)據(jù)。這樣做可能會為實(shí)施智能電源管理 (IPM) 技術(shù)打開大門，例如聚合低壓電源軌、負(fù)載共享/減載和短期電源分配。IPM 是“硬件和軟件的組合，用于優(yōu)化計算機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心的電源分配和使用”[1]。雖然該術(shù)語是為數(shù)據(jù)中心應(yīng)用而創(chuàng)造，但其適用性相當(dāng)普遍，因?yàn)樗嗟氖且环N設(shè)計方法的思維模式。例如，將電源子系統(tǒng)架構(gòu)方法從“始終開啟”轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆冀K可用”，這種思維的轉(zhuǎn)變可以帶來最終解決方案結(jié)果的范式轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變需要與團(tuán)隊(duì)成員以及外部供應(yīng)商進(jìn)行廣泛討論。

     換句話說，與其花費(fèi)大量精力試圖改變物理和可用元器件以滿足不切實(shí)際的要求，不如將大量精力放在減少系統(tǒng)預(yù)算上，基于一個真實(shí)、甚至最壞情況下的最大功率負(fù)載（從每個單獨(dú)電源的角度來看）的現(xiàn)實(shí)評估，這樣做通常更簡單、更快速、也更經(jīng)濟(jì)。鑒于縮短時間和降低成本的壓力始終存在，遵循這一策略會讓團(tuán)隊(duì)利益相關(guān)者之間的協(xié)商過程更加順暢，并在時間、成本和質(zhì)量之間找到實(shí)際平衡。不管我們多么希望不是這樣，這些不可避免的權(quán)衡總是彼此緊密相連，如下圖所示。例如，一個產(chǎn)品可以針對時間/成本/質(zhì)量中的其中一個進(jìn)行優(yōu)化，而不針對其他兩項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化。

圖 2：時間/成本/質(zhì)量三角結(jié)構(gòu)

     在向項(xiàng)目經(jīng)理或外部供應(yīng)商傳達(dá)需求時，闡明利用和重用之間的區(qū)別非常重要，因?yàn)檫@兩個詞在某些情況下可以互換使用，但各自代表的含義有很大不同，如果溝通不當(dāng)，可能會對項(xiàng)目和/或解決方案產(chǎn)生負(fù)面影響。利用是采用現(xiàn)有的解決方案并調(diào)整原來的細(xì)微方面（即無源元器件值、信號/邏輯/比較器閾值、外觀、形狀因素等）以優(yōu)化類似但不完全相同的用例。在本上下文中，“半定制”是利用的另一個常用術(shù)語。在與元器件供應(yīng)商談?wù)摗巴耆ㄖ啤痹O(shè)計（例如全新設(shè)計）與“半定制”設(shè)計之間的區(qū)別時，這種區(qū)別尤為明顯，后者可能是對某些商用現(xiàn)貨 (COTS) 解決方案的修改，因?yàn)榫蛢r格（元器件和非經(jīng)常性工程 (NRE)）和時間而言，兩者之間可能會有巨大差異。

     直接重用是指采用現(xiàn)有的設(shè)計并完全復(fù)制。實(shí)際上，這與購買 COTS 元器件是一回事，盡管有時這可能會引起一些混淆，但一些固定設(shè)計實(shí)際上具有一定靈活性。例如，針對不同的應(yīng)用重用具有寬輸入電壓范圍或可編程輸出的電源塊。利用一個器件系列也很常見，尤其是在為常見尺寸設(shè)計的電源模塊時，優(yōu)化特定模塊功能（即輸入/輸出電壓范圍、功率密度、電流處理、引腳排列、濾波等）以適應(yīng)不同的應(yīng)用。

     一般來說，確定是否考慮利用或重用的常見標(biāo)準(zhǔn)是對三個關(guān)鍵特征的測試：外形尺寸、適配程度和功能（即美觀性、機(jī)械/熱兼容性和電氣/通信性能）。這是另一個領(lǐng)域，與團(tuán)隊(duì)合作伙伴和解決方案提供商進(jìn)行非常仔細(xì)的談判和詳細(xì)討論會帶來巨大的回報，因?yàn)橐恍┙M織可能對適配程度/外形尺寸/功能的要求非常嚴(yán)格。例如，采用完全相同的電源并將其“使能”或“開啟”信號邏輯從正變?yōu)樨?fù)（即從高電平啟動改為低電平啟動啟）似乎太過簡單，無法從直接重用轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚?qiáng)度利用，但這個改動可能需要進(jìn)行一系列新的合格認(rèn)證測試，就像對待全新產(chǎn)品一樣（例如，需要管理的新產(chǎn)品編號及其附帶的所有信息），因此屬于利用類別。更改電源模塊印刷標(biāo)簽上的單詞、語句或數(shù)值甚至看似更為簡單，但如果是安全標(biāo)簽或需要對電可擦除可編程只讀存儲器 (EEPROM) 中的產(chǎn)品編號或唯一標(biāo)識信息進(jìn)行特殊格式化，則可能需要新的法規(guī)合規(guī)性測試和/或必須調(diào)整制造過程，從而破壞外形尺寸/適配程度/功能測試。

     經(jīng)歷了系統(tǒng)功率預(yù)算談判過程之后，人們現(xiàn)在可以滿懷信心地專注于提出解決方案，著手將預(yù)算變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。考慮到時間和成本的壓力，初步工作將集中在已經(jīng)證明有效的解決方案或子電路（也稱為宏）上，這樣既可以利用現(xiàn)有的資源，還可以直接重用這些資源。重要的是，一定要注重利用/重用優(yōu)秀的解決方案，而不是僅僅因?yàn)檫\(yùn)營壓力而盲目重復(fù)使用舊方案（下面提到的例外情況除外）。這就是我們需要分配時間和資源去處理那些“我們沒有時間/資源去解決”的問題的原因。盲目重復(fù)使用舊方案也意味著所有的錯誤和缺點(diǎn)都會一并重用。雖然只是為了說明這一點(diǎn)，但一個對其外形尺寸/適配程度/功能測試非常明確的組織可能會要求第二來源元器件故意模仿已知的錯誤或缺陷，以在多源解決方案保持向后兼容性（注意：多源采購本身就是一個獨(dú)立的主題，盡管超出了本白皮書的討論范圍，但請?jiān)趯?shí)施之前深入研究其利弊）。忽視產(chǎn)品的更新?lián)Q代和迭代改進(jìn)確實(shí)會損害整體運(yùn)營效率。相反，重用具有已知性能且經(jīng)過驗(yàn)證的可靠設(shè)計可以大大加快開發(fā)過程（即平臺設(shè)計方法）。有很多知名可靠的電源供應(yīng)商可以合作并獲得這些優(yōu)勢，尤其是通過 COTS 電源模塊。

     如果設(shè)計團(tuán)隊(duì)必須同時和/或快速連續(xù)開發(fā)多個系統(tǒng)，那么他們可能會有一套常用工具箱，其中包括各種電源解決方案/子模塊/產(chǎn)品系列，以適應(yīng)少數(shù)幾種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用場景。無論是內(nèi)部開發(fā)還是從電源供應(yīng)商處采購，這通常都包括預(yù)先構(gòu)建、預(yù)先合格、預(yù)先測試的電源模塊。當(dāng)然，實(shí)施該策略是為了優(yōu)化上述所有 SWaP-C 因素，但最重要的是降低風(fēng)險因素，尤其是對于關(guān)鍵/高可靠性和/或大批量部署的項(xiàng)目。

     例如，可以使用變壓器驅(qū)動器 + 變壓器 + 整流器 + LDO 來構(gòu)建SiC 驅(qū)動器的隔離電源，但現(xiàn)成的 DC/DC 模塊（例如 RECOM 的 RxxP1503D，具有不對稱輸出電壓，可以實(shí)現(xiàn)最佳柵極驅(qū)動器性能）不僅可以加快研發(fā)階段速度，而且用一個 BOM 元器件代替多個元器件，并降低因錯誤導(dǎo)致昂貴的 SiC 晶體管損壞的風(fēng)險。