引言

     在設計過程中，尋求優化的動機有很多，尤其是在電源子系統方面，人們通常認為子系統是一種麻煩但必不可少、又不直接幫助高價值系統實現功能集的設備。電源解決方案往往也是系統物料清單 (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計模塊或商用電源模塊所帶來的信心，是從一個項目到另一個項目大力推行利用/重用策略的主要動機。

典型電源解決方案設計過程回顧

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

     圖 1 提供了團隊從概念到實現系統功率預算和物理/環境約束可能采取的典型高級步驟。好吧，這并不是很正式，可能還有點滑稽，但仍然包含了很多真實的成分。“魔法”的部分代表了由于系統功率預算過高而產生的不切實際的需求，從數學上來說，這可能要求效率/密度/瞬態響應，而這些效率/密度/瞬態響應對于現有的產品類別來說要么非常不切實際，要么甚至與最先進技術 (SOTA) 所具備的水平完全不一致。

Rx“官方”電源設計過程

●步驟 1：所有系統利益相關者（通常不包括電源利益相關者）共同構建一個系統。

●步驟 2：通過對系統中所有主要負載的最大值進行求和來確定系統功率預算。

●步驟 3：與機械/熱管理利益相關者確認可行性。

●S步驟 4：向電源利益相關者提供功率預算、容量限制和項目時間表。

●步驟 5：魔法？！？（即不考慮物理定律和現實世界的限制）

PowerRox 提供的“官方”電源設計過程

     一個關鍵要點在于，即使電源利益相關者要對最終結果負責，但他們往往不是構成初始階段過程中不可或缺的一部分。鑒于專業重點領域需要多學科背景（通常僅來自多年的現場經驗），人們常常感到疑惑，在子系統的早期設計過程中，為何很少尋求電源利益相關者的觀點，而子系統往往是系統尺寸、重量、功率和成本（即著名 SWaP-C 因素）優化的主要控制因素。由于電子設備在沒有電源的情況下無法運行，因此性能和可靠性也應添加到該列表中。除了要求項目開發過程完美無誤之外，還希望項目時間線能比之前的產品縮短 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。

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

     在對抗系統功率預算過度膨脹的斗爭中，另一個關鍵點是知道何時能夠識別到預算優化的最大機會。從系統中最大、需求最高的負載開始，與最了解負載實際功率需求的關鍵利益相關者交談，并盡可能獲取真實的特性數據。這樣做可能會為實施智能電源管理 (IPM) 技術打開大門，例如聚合低壓電源軌、負載共享/減載和短期電源分配。IPM 是“硬件和軟件的組合，用于優化計算機系統和數據中心的電源分配和使用”[1]。雖然該術語是為數據中心應用而創造，但其適用性相當普遍，因為它更多的是一種設計方法的思維模式。例如，將電源子系統架構方法從“始終開啟”轉變為“始終可用”，這種思維的轉變可以帶來最終解決方案結果的范式轉變。這種轉變需要與團隊成員以及外部供應商進行廣泛討論。

     換句話說，與其花費大量精力試圖改變物理和可用元器件以滿足不切實際的要求，不如將大量精力放在減少系統預算上，基于一個真實、甚至最壞情況下的最大功率負載（從每個單獨電源的角度來看）的現實評估，這樣做通常更簡單、更快速、也更經濟。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隊利益相關者之間的協商過程更加順暢，并在時間、成本和質量之間找到實際平衡。不管我們多么希望不是這樣，這些不可避免的權衡總是彼此緊密相連，如下圖所示。例如，一個產品可以針對時間/成本/質量中的其中一個進行優化，而不針對其他兩項進行優化。

圖 2：時間/成本/質量三角結構

     在向項目經理或外部供應商傳達需求時，闡明利用和重用之間的區別非常重要，因為這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，可能會對項目和/或解決方案產生負面影響。利用是采用現有的解決方案并調整原來的細微方面（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語。在與元器件供應商談論“完全定制”設計（例如全新設計）與“半定制”設計之間的區別時，這種區別尤為明顯，后者可能是對某些商用現貨 (COTS) 解決方案的修改，因為就價格（元器件和非經常性工程 (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有的設計并完全復制。實際上，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，但一些固定設計實際上具有一定靈活性。例如，針對不同的應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計的電源模塊時，優化特定模塊功能（即輸入/輸出電壓范圍、功率密度、電流處理、引腳排列、濾波等）以適應不同的應用。

     一般來說，確定是否考慮利用或重用的常見標準是對三個關鍵特征的測試：外形尺寸、適配程度和功能（即美觀性、機械/熱兼容性和電氣/通信性能）。這是另一個領域，與團隊合作伙伴和解決方案提供商進行非常仔細的談判和詳細討論會帶來巨大的回報，因為一些組織可能對適配程度/外形尺寸/功能的要求非常嚴格。例如，采用完全相同的電源并將其“使能”或“開啟”信號邏輯從正變為負（即從高電平啟動改為低電平啟動啟）似乎太過簡單，無法從直接重用轉變為高強度利用，但這個改動可能需要進行一系列新的合格認證測試，就像對待全新產品一樣（例如，需要管理的新產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簽上的單詞、語句或數值甚至看似更為簡單，但如果是安全標簽或需要對電可擦除可編程只讀存儲器 (EEPROM) 中的產品編號或唯一標識信息進行特殊格式化，則可能需要新的法規合規性測試和/或必須調整制造過程，從而破壞外形尺寸/適配程度/功能測試。

     經歷了系統功率預算談判過程之后，人們現在可以滿懷信心地專注于提出解決方案，著手將預算變為現實。考慮到時間和成本的壓力，初步工作將集中在已經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/重用優秀的解決方案，而不是僅僅因為運營壓力而盲目重復使用舊方案（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。盲目重復使用舊方案也意味著所有的錯誤和缺點都會一并重用。雖然只是為了說明這一點，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立的主題，盡管超出了本白皮書的討論范圍，但請在實施之前深入研究其利弊）。忽視產品的更新換代和迭代改進確實會損害整體運營效率。相反，重用具有已知性能且經過驗證的可靠設計可以大大加快開發過程（即平臺設計方法）。有很多知名可靠的電源供應商可以合作并獲得這些優勢，尤其是通過 COTS 電源模塊。

     如果設計團隊必須同時和/或快速連續開發多個系統，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/產品系列，以適應少數幾種標準應用場景。無論是內部開發還是從電源供應商處采購，這通常都包括預先構建、預先合格、預先測試的電源模塊。當然，實施該策略是為了優化上述所有 SWaP-C 因素，但最重要的是降低風險因素，尤其是對于關鍵/高可靠性和/或大批量部署的項目。

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