可配置電源中典型DSP控制系統設計

對于設計有大功率 (>100 W) 需求的電子產品來說，選擇電源類型的方法似乎簡單明了。

設計團隊有三個基本選擇：

• 固定規格的標準零件。 標準零件的規格范圍有限，支持電路設計中最常指定的輸入和輸出。

• 全定制式設計，按照用戶的具體規格定制，包括功率、輸出數、外形尺寸、環境保護和其它任何必需參數。

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

在決定電源規格時，傳統思路是采用層級式決策流。

這種層級結構的頂部是標準零件。 設計人員普遍認為：只要設計能夠使用標準零件，就應該這樣做。 按照傳統思維，對于任何標準輸入/輸出組合，標準零件都能實現最優的成本、尺寸和效率組合。

這是因為標準零件專門針對一種輸入/輸出規格進行了優化；還因為它是針對多家客戶大批量生產的，存在規模經濟優勢。

但是，如果標準零件沒有提供電源設計需要的輸出組合，傳統層級結構中下一個選擇就是全定制零件：這樣可為設計團隊提供完全符合設計需要的規格，使設計在性能、低物料成本、效率以及客戶規定的其他參數方面得到優化。

但是，全定制式解決方案不適合某些產品開發項目。 最常見的原因是，項目在產品生命周期內無法創造足夠的價值，因而定制解決方案的開發成本也不具備合理性?；蛘呤褂枚ㄖ圃O計需要花費的時間過長，無法及時將產品推向市場。

傳統上，決策流的末端才是可配置電源，只有在標準零件或定制電源單元顯然不適用的情況下，才會選擇它。 換而言之，可配置電源被視為設計人員最后的無奈選擇。

事實上，本文認為可配置電源才是大多數項目經理的第一選擇，電源設計人員應該優先考慮采用。

可配置電源：不該只是第三選擇？

可配置電源同時結合了標準零件和全定制電源的某些優勢。

與定制電源相同，可配置電源讓設計團隊能夠指定標準零件無法支持的精確輸出功率額定值，而不僅只是支持標準零件通常提供的單個或兩個電源輸出。

可配置電源是通過在多個標準模塊的通用底座單元中組裝而成的。

這意味著配置流程遠快于全定制式設計流程，因而產品能如標準零件那樣快速面市。

此外，與固定功能標準零件和全定制式設計相比，可配置電源的總擁有成本通常具有很強的競爭力，具體取決于數量。

但是，按照傳統思維，只有在無法使用標準零件或全定制式電源的情況下，才應選擇可配置電源。

當電子產品設計被視為以下性質的過程時，這種選擇方式似乎顯得合理：

• 過程分散，前代和后續的最終產品設計相互分開

• 過程可預測且易于管理

這些條件可能適用于一定比例的設計。

但是，很多設計團隊面臨的實際情況是最終產品不斷演進，產生的變體也是產品系列的一部分；在開發過程中，隨著市場或技術的變化，設計規范（理論上應該在設計流程開始時確定）實際上不斷修改。

對于這些設計團隊，可配置電源的特性具有更大的意義，因而必須對電源選擇決策流程的層級結構進行重新排序。

事實上，電源系統設計人員可從可配置、可編程的電源中受益，正如他們從微控制器、微處理器和 FPGA 等其他類型靈活器件中受益那樣。

展望當今產品的未來：設計靈活性的諸多優勢

也許電子產業最顯著的特點就是能夠不斷改進集成電路的基本技術，這要通過使用更小巧的電路元件來實現，這些元件的運行速度更快，且功耗和制造成本更低。 摩爾定律意味著下一年的數字邏輯的相對成本將會低于前一年，而且性能還會提升。

隨著數字邏輯器件的成本日益降低，功能變得更為強大，在可編程軟件中實現控制環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現。 通過數字器件實現的軟件控制可為設計人員提供兩大好處：

• 功能增強——比起模擬電路，算法能夠提供更加先進和復雜的控制功能。

• 靈活性——只需將新代碼上傳到存儲器，即可更改在軟件中實施的控制環路，這個過程可在產品開發期間無限重復。 而在模擬器件中進行相同的更改需要重新設計電路。 因此，與修改同等的模擬設計相比，修改、調整或增強數字設計規范要簡單快捷得多。

事實上，可編程性和軟件控制的優勢已經在電路板電子設計架構領域掀起了一場變革，使得靈活的可編程器件類型（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 或專用標準產品 (ASSP)。

實際上，電子行業很久以來一直都有向可編程或可配置架構發展的趨勢：英特爾在微處理器技術領域的成功始于上世紀 70 年代早期，當時 Federico Faggin 率先認識到實現商業計算器設計的好處，他利用了在軟件中執行計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型的靈活性具有如此大的吸引力？

因為對于設計團隊工作的多變環境而言，它們的靈活性是最有效的應對手段。

• 在開發過程中，產品營銷人員經常會變更設計團隊正在開發的產品的規格。

• 元器件供應商不斷推出新產品，它們提供了經過改進的性能和附加的功能，或者具有更低的成本。

• 在設計過程中，甚至在設計完成之后，設計團隊都會頻繁更改設計，目的是及時充分利用新技術。

• OEM 力求通過在整個產品系列中重復使用知識產權和生產工具，來降低設計和制造成本。

• OEM 的目標通常是利用單個基礎產品的多種變體，滿足不同細分市場的需求和不同的客戶要求。

與電路設計的其他所有元素相同，這些壓力也會影響電源系統的設計。

那么，電源供應商也能利用數字邏輯來提供電源系統設計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）。 這兩種類型的電源通過不同方式使用數字技術，為用戶提供設計靈活性。

可配置電源包括 AC-DC 數字控制電源轉換前端，具有功率因數校正 (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，只需使用一個模塊替代另一個模塊即可；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字技術來控制 AC-DC 前端和各個模塊。

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，設計人員不僅能夠微調電壓和電流輸出，還能夠控制其他重要功能，例如過溫閾值和風扇轉速。

在 Artesyn 的 iMP 可編程電源中，每個模塊中的電源轉換都是完全數字控制的，這樣可以支持電池充電例程等智能電源方案的實現。

圖 2：Artesyn 提供的 iMP 系列可編程電源讓用戶能夠實時監控系統狀態。

這些高級電源可為電源系統設計人員提供靈活性，包括在產品開發流程期間和之后。 確定適當的輸入和輸出功率范圍之后，系統設計團隊可以實施電路板布局，電源封裝和連接在產品生命周期內將保持不變。 他們可以通過選擇適當的模塊，來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，則可通過對數字控制環路的軟件更改來實現這些目標。

模塊可以即時更換，既無需額外的設計時間，也不會產生一次性工程 (NRE) 或加工費用，因為底座單元的封裝保持不變。

他們還可對投入生產的已完成設計進行修改，既無需更改封裝也不需要任何新的工廠加工即實現對電源的更改。

相比之下，更換固定規格的標準零件來提供不同的電源輸出，通常需要新的電路板布局和端子，從而大幅延長設計流程和抬升設計成本。 如果使用全定制式電源，更改帶來的影響甚至更大，需要額外的 NRE 費用來支持更改的規格，在設計和制造新電源時還會出現延遲。

靈活性如何改變電源系統決策的層級結構

對于電子設計工程師而言，設計要求的易變性是始終都要面對的一大挑戰。 靈活的可配置電源讓設計人員能夠即時果斷地應對變化，而不會產生很高的成本。

因此，對于未來的電源系統設計人員而言，電源系統決策流程的層級結構必將發生一大變化：對于很多設計人員，第一項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“采用標準零件還是全定制式設計？”

如果設計團隊面臨著以下任何情況，則從設計流程一開始，可配置或可編程電源就應該成為他們的合理選擇：

1. 功率預算的不確定性

今天，管理功率預算不確定性的可接受方法是過高指定。 傳統功率預算估計流程需要預測設計的每個功能模塊的功率要求，并為每個模塊增加一定裕量以防存在誤差。 然后將所有估算值相加，得出整體的功率預算，再為整體功率預算添加一定裕量以防存在誤差。

因此，完成后設計的實際功率需求通常遠低于整體功率預算的預測。 如果使用固定功能電源，則最終設計的電源單元的功率會過高指定，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計開始時即已固定，但在設計過程中，輸出電壓和電壓值反復變化。 因此，功率預算的早期不確定性不會妨礙設計團隊在最終電源單元中實現最佳的電源性能、效率和成本組合。

2. 銷售規格的不確定性

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

所有這些現象可能導致產品營銷人員更改他們為 OEM 設計團隊確定的規格，甚至在最終產品的開發已經開始之后還會進行更改。 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，設計團隊能夠即時響應營銷規格的更改，避免因定制電源規格更改或更換標準零件而發生一次性工程成本或設計成本。 因此，可配置電源的設計流程能夠更靈敏地滿足客戶需求，更快速地響應客戶需求的變化，從而讓 OEM 從中受益。

3. 未來產品修改的不確定性

典型的最終產品營銷戰略需要基于通用的平臺推出多種擴展產品。 這樣可以重復使用知識產權和生產工具，同時滿足不同細分市場的需求，針對每個細分市場的客戶提供優化的產品。

但是，市場需要平臺產品有多少變體呢？ 這些變體需減少功能來降低成本，還是增加功能來增添價值？

在設計平臺產品時，我們很少知道這些問題的答案。 因此，我們也無法提前了解基礎產品的每種衍生產品的最終功率需求。

可配置電源可以讓 OEM 設計人員免于這種不確定性，能以單個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的模塊，即可輕松應對不同的功率需求。

因此，設計團隊可以非常靈敏地應對不同的客戶要求，因為他們能夠針對每種變體，快速實現優化的電源系統，而不會產生很高的成本。

使用靈活電源所能獲得的諸多優勢

本文認為，設計團隊應在決策流程開始時就確定使用靈活電源還是固定功能電源問題。

即便類似的標準零件能夠以更低成本滿足他們的即時需求，有些設計團隊還是會選擇使用可配置電源。 他們這樣做的原因是靈活性的價值超出了使用可配置電源的少量額外成本。 在產品的生命周期內，很多設計團隊會發現，選擇可配置電源的成本要低于依賴標準零件的成本。

降低物料成本

設計團隊可以按照設計要求指定電源，而不需要過高指定以便為更改或預估誤差留出裕量。

縮短產品面市時間

標準零件或全定制電源的用戶需要花費時間來重新設計電路板布局和生產工具，以適應更改的電源。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。

降低設計成本

當功率需求變化時，電路板布局和端接可以保持不變。

設計更出色，更能吸引客戶

可配置電源的用戶能夠開發出更多變體，提供更加多樣化的功能，對不同細分市場具有更強的吸引力。 他們可以制造變體，以適應新的電源規格，而無需新的電路板布局或新的生產工具。 只需更換電源模塊，就可即時完成更改。

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

Artesyn 同時提供可配置和全可編程電源。

μMP 系列

在高密度 1U 類型電源中，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，同時還具有市場領先的密度、效率和可靠性。

圖 4：Artesyn 的 MicroMP 系列可配置電源。

Artesyn μMP 系列通過了 EN60950 ITE 和 EN60601（醫療）安全認證，提供最多 12 個輸出和智能風扇控制，還可對風扇轉速、溫度、輸出電壓和輸出電流等參數進行監控。

讀數使用行業標準 PMBus? 接口通過該器件的 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 協議進行處理。

圖 5：Artesyn 的 iMP 系列可配置電源。

設置 iMP 系列可配置電源模塊極為簡單。 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標準 PC 上的 Microsoft Windows? 操作系統下運行，通過易于使用的圖形用戶界面進行操作。

所有模塊和工作參數都顯示在同一個控制屏幕上。 除了定義模塊的輸出電壓和電流之外，設計人員還可輕松調節其 OVP、UVP 和 OTP 限制，更改其 OCP 模式和控制信號，甚至在需要時強制執行風扇轉速超馳。

圖 6：Artesyn Embedded Technologies 提供的 iMP 系列可編程電源的數字控制延伸到參數配置方面，例如過壓保護、過流保護和過熱保護。

iVS? 系列

Artesyn iVS? 系列模塊化 AC-DC 電源支持最高達到 4920 W 輸出能力的高功率應用。 iVS 單元讓用戶能夠通過 I2C 接口來監視和控制電源的眾多屬性。

圖 7：Artesyn 支持最高 4920 瓦應用的 iVS 系列示例。

這些系列提供七種類型的模塊，包括單輸出、雙輸出和三輸出單元，功率輸出最高達到 1500 W。iVS 系列提供 25 種標準輸出電壓，從 2 VDC 到 60 VDC，并能夠提供最多 24 個輸出。 通過并聯和/或串聯模塊，可以達到最高 970 A 的電流和最高 500 V 的電壓。