引言

     在設(shè)計(jì)過程中，尋求優(yōu)化的動(dòng)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(jià)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(jià)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(jì)模塊或商用電源模塊所帶來的信心，是從一個(gè)項(xiàng)目到另一個(gè)項(xiàng)目大力推行利用/重用策略的主要?jiǎng)訖C(jī)。

典型電源解決方案設(shè)計(jì)過程回顧

     為了真正了解推動(dòng)利用/重用電源解決方案的動(dòng)機(jī)，最好花一點(diǎn)時(shí)間來探索典型的設(shè)計(jì)過程，并找出推動(dòng)此類策略的機(jī)會(huì)/差距。無論是直接的電源利益相關(guān)者還是電源設(shè)計(jì)服務(wù)的接收端，如果以下概括過程與任何個(gè)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(jí)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。“魔法”的部分代表了由于系統(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(duì)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(jì)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(gè)系統(tǒng)。

●步驟 2：通過對(duì)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(shí)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(jì)過程

     一個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)在于，即使電源利益相關(guān)者要對(duì)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(chǎng)經(jīng)驗(yàn)），人們常常感到疑惑，在子系統(tǒng)的早期設(shè)計(jì)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(shí)間線能比之前的產(chǎn)品縮短 10% 的上市時(shí)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(shí)，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(gè)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(huì)。例如，所有負(fù)載（尤其是大負(fù)載）同時(shí)消耗最大電流的頻率是多少？顯然，許多子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與其他子系統(tǒng)反相位（例如，計(jì)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(gè)不切實(shí)際且包含安全裕度的最大值開始）對(duì)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(gè)重要因素。每個(gè)利益相關(guān)者也會(huì)額外增加預(yù)算以應(yīng)對(duì)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(jì)上耗費(fèi)了大量的金錢和資源，以應(yīng)對(duì)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(chǎng)景。

     在對(duì)抗系統(tǒng)功率預(yù)算過度膨脹的斗爭(zhēng)中，另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是知道何時(shí)能夠識(shí)別到預(yù)算優(yōu)化的最大機(jī)會(huì)。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(huì)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(jì)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(jì)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(gè)真實(shí)、甚至最壞情況下的最大功率負(fù)載（從每個(gè)單獨(dú)電源的角度來看）的現(xiàn)實(shí)評(píng)估，這樣做通常更簡單、更快速、也更經(jīng)濟(jì)。鑒于縮短時(shí)間和降低成本的壓力始終存在，遵循這一策略會(huì)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(shí)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(gè)產(chǎn)品可以針對(duì)時(shí)間/成本/質(zhì)量中的其中一個(gè)進(jìn)行優(yōu)化，而不針對(duì)其他兩項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化。

圖 2：時(shí)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(shí)，闡明利用和重用之間的區(qū)別非常重要，因?yàn)檫@兩個(gè)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(huì)對(duì)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(hào)/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(gè)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(jì)（例如全新設(shè)計(jì)）與“半定制”設(shè)計(jì)之間的區(qū)別時(shí)，這種區(qū)別尤為明顯，后者可能是對(duì)某些商用現(xiàn)貨 (COTS) 解決方案的修改，因?yàn)榫蛢r(jià)格（元器件和非經(jīng)常性工程 (NRE)）和時(shí)間而言，兩者之間可能會(huì)有巨大差異。

     直接重用是指采用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)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(shí)這可能會(huì)引起一些混淆，但一些固定設(shè)計(jì)實(shí)際上具有一定靈活性。例如，針對(duì)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(gè)器件系列也很常見，尤其是在為常見尺寸設(shè)計(jì)的電源模塊時(shí)，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(duì)三個(gè)關(guān)鍵特征的測(cè)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(gè)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(huì)帶來巨大的回報(bào)，因?yàn)橐恍┙M織可能對(duì)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(hào)邏輯從正變?yōu)樨?fù)（即從高電平啟動(dòng)改為低電平啟動(dòng)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(gè)改動(dòng)可能需要進(jìn)行一系列新的合格認(rèn)證測(cè)試，就像對(duì)待全新產(chǎn)品一樣（例如，需要管理的新產(chǎn)品編號(hào)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(duì)電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 (EEPROM) 中的產(chǎn)品編號(hào)或唯一標(biāo)識(shí)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(cè)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(cè)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)?？紤]到時(shí)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(shí)間和資源去處理那些“我們沒有時(shí)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(cuò)誤和缺點(diǎn)都會(huì)一并重用。雖然只是為了說明這一點(diǎn)，但一個(gè)對(duì)其外形尺寸/適配程度/功能測(cè)試非常明確的組織可能會(huì)要求第二來源元器件故意模仿已知的錯(cuò)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(gè)獨(dú)立的主題，盡管超出了本白皮書的討論范圍，但請(qǐng)?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(huì)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(jì)可以大大加快開發(fā)過程（即平臺(tái)設(shè)計(jì)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(shì)，尤其是通過 COTS 電源模塊。

     如果設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須同時(shí)和/或快速連續(xù)開發(fā)多個(gè)系統(tǒng)，那么他們可能會(huì)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(chǎng)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(cè)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(xiǎn)因素，尤其是對(duì)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(dòng)器 + 變壓器 + 整流器 + LDO 來構(gòu)建SiC 驅(qū)動(dòng)器的隔離電源，但現(xiàn)成的 DC/DC 模塊（例如 RECOM 的 RxxP1503D，具有不對(duì)稱輸出電壓，可以實(shí)現(xiàn)最佳柵極驅(qū)動(dòng)器性能）不僅可以加快研發(fā)階段速度，而且用一個(gè) BOM 元器件代替多個(gè)元器件，并降低因錯(cuò)誤導(dǎo)致昂貴的 SiC 晶體管損壞的風(fēng)險(xiǎn)。