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即插即用型数字可编程电源模块实现了电源快速成型技术

原作者：Heng Yang, Ph.D., Sr. Applications Engineer, Monolithic Power Systems 改编：Toffee Jia

概述

在电源产品开发过程中，设计师常常会面临两种挑战：项目延迟和成本超支。产品规格变更和技术规格不达标成为项目延迟和预算超支的两个最常见原因。为了能满足产品技术规格指标，电源工程师可能会在样板制作阶段，彻底推翻先前的方案，重新设计。即使电源芯片常常被忽视，但任何一个电子产品的开发，都逃不开电源设计。如果将产品比作人，那么电源就好比一个人的心脏，心脏是否能正常跳动，关乎到人的生死存亡。电源的设计优劣，轻则影响整个产品的性能，重则影响整个项目的成败。高效的电源设计直接有益于整个系统的散热，降低成品的成本和大小。低噪声电源解决方案可确保最终产品符合EMI标准，如IEC EN61000。在一些数据收发器和DAC/ADC应用中，其产品性能高度依赖于电源设计和EMI抗干扰水平。

硬件产品开发周期

硬件系统的设计周期属于一种迭代过程，涉及到设计、样板制作和验证。每一个迭代过程都会增加系统研发的成本和时间。如果项目规格有所变更，便需要重新制作样板。此外，现代电源管理芯片嵌入了更多的功能，这也增加了功率级设计和电路板布局的难度。因此，考虑到PCB线路引入寄生原件和复杂补偿网络，提前准确地预测电源设计并非易事。如果样板的电源系统未满足产品规格要求，整个系统将可能无法正常工作。实际情况则是不断修改功率极，提升设计，又或是由于相位裕度不足，原本稳定的功率转换器可能在较大的负载阶跃时变得不稳定，重新设计补偿网络在所难免。

Figure 1: Iterative Hardware System Design Process

图1: 硬件系统设计迭代过程

硬件系统的样板制作涉及到元器件采购、原理图设计、PCB布局以及电路板制作及组装，其涉及的每个步骤都可能是昂贵和耗时的（见图2）。

  • 元器件采购：交付周期漫长而不可控，元器件缺一不可。定制器件和IC则耗时更久
  • 原理图设计和PCB布局：工程师夜以继日、挖空心思设计出看上去近乎完美的电路图，如果想要“快马加鞭”，成本也会“水涨船高”
  • 电路板制作及组装：交付越快价格越高，3天制作周期是7天周期花费的2倍

Figure 2: Steps Involved in Traditional Power Supply Prototype Development

图 2: 传统硬件系统样板制作步骤

电源芯片快速成型技术

如图2所示, 一款新品的样板制作传统交付周期可长达4个月，如果迭代几次就会严重拖延整个项目的进度。而新颖的电源芯片快速成型技术解决方案可以帮助电源工程师控制新产品开发的进度和预算（见图3）。

Figure 3: Rapid Power Supply Prototyping Solution

图 3: 电源芯片快速成型技术解决方案

快速成型技术解决方案的4个关键特性：

  • 高度集成：整个电源解决方案被集成到一个标准DIP/LGA封装中。高度集成可使电源能够（cold swap）冷插拔，并显著简化了PCB设计——只需要输入和输出覆铜（copper planes）。由于整个电源系统都集成在模块中，由于PCB布线带来的寄生参数高度可控。这样可以完全避免由于寄生原件对电源稳定性造成的影响。
  • 订购时在线配置：可满足初始或修订规格。无需复杂的功率级和补偿网络设计。出货前，由供应商优化并满足定制规格。
  • 精确建模：订购之前，预先精确仿真产品的稳定性、输出电压纹波、功耗、故障范围，和软启动时间，最大限度地满足规格要求。
  • 周期短：定制方案可在订货后一周内交付。

通过使用电源芯片快速成型解决方案，电源工程师将新产品样板制作时间足足缩短了95%（可在数小时内调整，优化和更新您的设计）（见图4），8天足够完成新产品样板迭代。此外，还减少了其他非电源相关的原件和电路板制作及组装的成本，从而降低了产品开发的总体成本。如果仅需重新设计功率级，可使用现有硬件系统样板，简单切换至新的电源解决方案即可。

Figure 4: Fast Prototyping Development using Rapid Power Supply Prototyping Solution

图 4: 采用电源芯片快速成型技术快速打样

快速成型三步曲：

  • 根据初始或修订规格，在线配置出集成电源芯片解决方案
  • 在正常工作条件下，仿真所配置的电源芯片性能
  • 将现有系统样板上的电源模块切换成新模块。

mEZ系列可在线编程电源模块

业界首创——可在线编程电源模块 mEZ系列，专为满足快速成型需求而设计。

mEZ可在线编程模块示例（见图5）： mEZDPD3603，输入电压：4.5V-36V，输出电压：0.6V-12V，提供高达3A连续电流。

Figure 5: mEZDPD3603 Power Module with DIP and LGA Packages    Figure 5: mEZDPD3603 Power Module with DIP and LGA Packages

图 5: mEZDPD3603电源模块（DIP封装及LGA封装可选）

mEZ可在线编程电源模块在系统样板制作中的3个关键优点:

  • 将整个电源系统集成在单个封装中（标准DIP和LGA封装可选）。电源工程师可以通过更换电源模块，以全新的设计取代整个电源解决方案
  • 可在MPS官网上完成所有配置：输出电压、补偿、开关频率、输出电流限、故障限制、软启动时间和PWM模式均可根据客户要求定制。在订购之后，配置参数会送达制造商，定制部件由工厂直接交付给客户
  • 可为含有I2C通信总线的应用提供了一次性可编程（OTP）存储器。当与虚拟平台图形用户界面（GUI）配对时，mEZ电源模块的关键特性可由客户编程一次

MPS将电源快速成型技术简化为三个步骤（见图6）：

  • 电源工程师首先确定电源的规格，如输入和输出电压、输出电流、所需效率、负载瞬态动态响应和故障保护限
  • 使用基于网络的仿真工具，仿真电源解决方案，此时可生成仿真波形图，包括启动和关断、稳态、负载和线性瞬态、短路保护和波特图（见图7）。在客户订购之前，电源设计师可以使用仿真工具充分验证配置以确保其性能符合产品规格
  • 用户将满足要求的配置文件保存提交。MPS将定制元件交付给客户

Figure 6: Rapid Prototyping Solution Offered by MPS

图 6: MPS 电源快速成型技术

Figure 7: Online Simulation Tool for mEZ Field Programmable Power Module (available at www.monolithicpower.com/mEZDPD3603A.html)

图 7: mEZ现场可编程电源模块在线仿真工具
(请点击 www.monolithicpower.cn/mezdpd3603as.html)购买

结语

如今，电源工程师可以利用电源快速成型解决方案，帮助客户按时交付、节省预算。快速成型解决方案要求集成电源解决方案能实现样板可切换、可与制造商配置、采购可把控、快速变更后可交付。而mEZ可在线编程电源模块正是顺应了电源快速成型这一概念，为未来电源行业快速制板开辟了一条新思路。