基于電源快速成型解決方案

概述

在電源產(chǎn)品開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)師常常會(huì)面臨兩種挑戰(zhàn)：項(xiàng)目延遲和成本超支。產(chǎn)品規(guī)格變更和技術(shù)規(guī)格不達(dá)標(biāo)成為項(xiàng)目延遲和預(yù)算超支的兩個(gè)最常見原因。為了能滿足產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格指標(biāo)，電源工程師可能會(huì)在樣板制作階段，徹底推翻先前的方案，重新設(shè)計(jì)。即使電源芯片常常被忽視，但任何一個(gè)電子產(chǎn)品的開發(fā)，都逃不開電源設(shè)計(jì)。如果將產(chǎn)品比作人，那么電源就好比一個(gè)人的心臟，心臟是否能正常跳動(dòng)，關(guān)乎到人的生死存亡。電源的設(shè)計(jì)優(yōu)劣，輕則影響整個(gè)產(chǎn)品的性能，重則影響整個(gè)項(xiàng)目的成敗。高效的電源設(shè)計(jì)直接有益于整個(gè)系統(tǒng)的散熱，降低成品的成本和大小。低噪聲電源解決方案可確保最終產(chǎn)品符合EMI標(biāo)準(zhǔn)，如IEC EN61000。在一些數(shù)據(jù)收發(fā)器和DAC/ADC應(yīng)用中，其產(chǎn)品性能高度依賴于電源設(shè)計(jì)和EMI抗干擾水平。

硬件產(chǎn)品開發(fā)周期

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期屬于一種迭代過程，涉及到設(shè)計(jì)、樣板制作和驗(yàn)證。每一個(gè)迭代過程都會(huì)增加系統(tǒng)研發(fā)的成本和時(shí)間。如果項(xiàng)目規(guī)格有所變更，便需要重新制作樣板。此外，現(xiàn)代電源管理芯片嵌入了更多的功能，這也增加了功率級(jí)設(shè)計(jì)和電路板布局的難度。因此，考慮到PCB線路引入寄生原件和復(fù)雜補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，提前準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電源設(shè)計(jì)并非易事。如果樣板的電源系統(tǒng)未滿足產(chǎn)品規(guī)格要求，整個(gè)系統(tǒng)將可能無法正常工作。實(shí)際情況則是不斷修改功率極，提升設(shè)計(jì)，又或是由于相位裕度不足，原本穩(wěn)定的功率轉(zhuǎn)換器可能在較大的負(fù)載階躍時(shí)變得不穩(wěn)定，重新設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在所難免。

圖1: 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)迭代過程

硬件系統(tǒng)的樣板制作涉及到元器件采購、原理圖設(shè)計(jì)、PCB布局以及電路板制作及組裝，其涉及的每個(gè)步驟都可能是昂貴和耗時(shí)的（見圖2）。

元器件采購：交付周期漫長而不可控，元器件缺一不可。定制器件和IC則耗時(shí)更久

原理圖設(shè)計(jì)和PCB布局：工程師夜以繼日、挖空心思設(shè)計(jì)出看上去近乎完美的電路圖，如果想要“快馬加鞭”，成本也會(huì)“水漲船高”

電路板制作及組裝：交付越快價(jià)格越高，3天制作周期是7天周期花費(fèi)的2倍

圖 2: 傳統(tǒng)硬件系統(tǒng)樣板制作步驟

電源芯片快速成型技術(shù)

如圖2所示, 一款新品的樣板制作傳統(tǒng)交付周期可長達(dá)4個(gè)月，如果迭代幾次就會(huì)嚴(yán)重拖延整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度。而新穎的電源芯片快速成型技術(shù)解決方案可以幫助電源工程師控制新產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)度和預(yù)算（見圖3）。

圖 3: 電源芯片快速成型技術(shù)解決方案

快速成型技術(shù)解決方案的4個(gè)關(guān)鍵特性：

高度集成：整個(gè)電源解決方案被集成到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)DIP/LGA封裝中。高度集成可使電源能夠（cold swap）冷插拔，并顯著簡(jiǎn)化了PCB設(shè)計(jì)——只需要輸入和輸出覆銅（copper planes）。由于整個(gè)電源系統(tǒng)都集成在模塊中，由于PCB布線帶來的寄生參數(shù)高度可控。這樣可以完全避免由于寄生原件對(duì)電源穩(wěn)定性造成的影響。

訂購時(shí)在線配置：可滿足初始或修訂規(guī)格。無需復(fù)雜的功率級(jí)和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。出貨前，由供應(yīng)商優(yōu)化并滿足定制規(guī)格。

精確建模：訂購之前，預(yù)先精確仿真產(chǎn)品的穩(wěn)定性、輸出電壓紋波、功耗、故障范圍，和軟啟動(dòng)時(shí)間，最大限度地滿足規(guī)格要求。

周期短：定制方案可在訂貨后一周內(nèi)交付。

通過使用電源芯片快速成型解決方案，電源工程師將新產(chǎn)品樣板制作時(shí)間足足縮短了95%（可在數(shù)小時(shí)內(nèi)調(diào)整，優(yōu)化和更新您的設(shè)計(jì)）（見圖4），8天足夠完成新產(chǎn)品樣板迭代。此外，還減少了其他非電源相關(guān)的原件和電路板制作及組裝的成本，從而降低了產(chǎn)品開發(fā)的總體成本。如果僅需重新設(shè)計(jì)功率級(jí)，可使用現(xiàn)有硬件系統(tǒng)樣板，簡(jiǎn)單切換至新的電源解決方案即可。

圖 4: 采用電源芯片快速成型技術(shù)快速打樣

快速成型三步曲：

根據(jù)初始或修訂規(guī)格，在線配置出集成電源芯片解決方案

在正常工作條件下，仿真所配置的電源芯片性能

將現(xiàn)有系統(tǒng)樣板上的電源模塊切換成新模塊。

mEZ系列可在線編程電源模塊

業(yè)界首創(chuàng)——可在線編程電源模塊 mEZ系列，專為滿足快速成型需求而設(shè)計(jì)。

mEZ可在線編程模塊示例（見圖5）： mEZDPD3603，輸入電壓：4.5V-36V，輸出電壓：0.6V-12V，提供高達(dá)3A連續(xù)電流。

圖 5: mEZDPD3603電源模塊（DIP封裝及LGA封裝可選）

mEZ可在線編程電源模塊在系統(tǒng)樣板制作中的3個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn):

將整個(gè)電源系統(tǒng)集成在單個(gè)封裝中（標(biāo)準(zhǔn)DIP和LGA封裝可選）。電源工程師可以通過更換電源模塊，以全新的設(shè)計(jì)取代整個(gè)電源解決方案

可在MPS官網(wǎng)上完成所有配置：輸出電壓、補(bǔ)償、開關(guān)頻率、輸出電流限、故障限制、軟啟動(dòng)時(shí)間和PWM模式均可根據(jù)客戶要求定制。在訂購之后，配置參數(shù)會(huì)送達(dá)制造商，定制部件由工廠直接交付給客戶

可為含有I2C通信總線的應(yīng)用提供了一次性可編程（OTP）存儲(chǔ)器。當(dāng)與虛擬平臺(tái)圖形用戶界面（GUI）配對(duì)時(shí)，mEZ電源模塊的關(guān)鍵特性可由客戶編程一次

MPS將電源快速成型技術(shù)簡(jiǎn)化為三個(gè)步驟（見圖6）：

電源工程師首先確定電源的規(guī)格，如輸入和輸出電壓、輸出電流、所需效率、負(fù)載瞬態(tài)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和故障保護(hù)限

使用基于網(wǎng)絡(luò)的仿真工具，仿真電源解決方案，此時(shí)可生成仿真波形圖，包括啟動(dòng)和關(guān)斷、穩(wěn)態(tài)、負(fù)載和線性瞬態(tài)、短路保護(hù)和波特圖（見圖7）。在客戶訂購之前，電源設(shè)計(jì)師可以使用仿真工具充分驗(yàn)證配置以確保其性能符合產(chǎn)品規(guī)格

用戶將滿足要求的配置文件保存提交。MPS將定制元件交付給客戶

圖 6: MPS 電源快速成型技術(shù)

圖 7: mEZ現(xiàn)場(chǎng)可編程電源模塊在線仿真工具
(請(qǐng)點(diǎn)擊 www.monolithicpower.cn/mezdpd3603as.html)購買

結(jié)語

如今，電源工程師可以利用電源快速成型解決方案，幫助客戶按時(shí)交付、節(jié)省預(yù)算。快速成型解決方案要求集成電源解決方案能實(shí)現(xiàn)樣板可切換、可與制造商配置、采購可把控、快速變更后可交付。而mEZ可在線編程電源模塊正是順應(yīng)了電源快速成型這一概念，為未來電源行業(yè)快速制板開辟了一條新思路。
審核編輯：彭菁