适合无线应用的尺寸和成本优化电源解决方案
2023-6-16
随着电源和供电解决方案技术的进步，系统中的“麻烦但又必不可少的设备”正逐渐转变为高度启用的功能，从而推动全球进入无线世界。
1. Swap 因素及其在电源解决方案中的重要性
在电子领域，电源解决方案（即电源、电源转换设备、能量存储、安全元器件以及相关互连装置/电路板/电缆等）通常被视为是一种必不可少的麻烦。显然，没有电源，任何设备都无法运转，但相反，大多数设计师和工程师宁愿花时间专注于优化系统以满足应用需求，并承担维持系统运行的额外开销。
不幸的是，电源解决方案常常导致系统尺寸/重量、物料清单 (BOM) 成本增加，甚至阻碍整个系统的开发进度。人们可以进一步探讨与电源解决方案相关的诸多问题（如供应链和制造相关的难题），但这并不是本白皮书的重点或目标。事实上，我们希望本文档及引用的其他资源能够帮助扭转过去的负面看法，让人们乐观地迈向更可持续的未来。
系统最常见的一些品质因数 (FOM) 包括其尺寸、重量和功率（即 SWaP 因素）特性。如果与成本指标结合，也可以称之为 SWaP-C 因素。鉴于在整个系统设计中，上述电源解决方案对这些 FOM 有重大影响，自然就有必要仔细研究这些特性，尤其是那些构成电源子系统或与其密切相关的系统元器件。功率密度通常由总可用功率与整个解决方案的体积决定，这也是元器件尺寸与功率密度呈反比关系的原因。如果与整个解决方案的总质量（通常转化为地球上的重量）相结合，功率密度指标就可能进一步发展，成为无线应用中的一个关键 FOM，接下来的内容将从多个角度进行探讨。
就构成电源解决方案的元器件而言，推动 SWaP（有时还包括成本）因素的主要元器件是磁性元件形式的滤波器元件（即变压器、电感器、环形线圈、扼流圈等）和电容器（即大容量/电解电容、安全电容等）。除了电源调节之外，这些元器件通常还能满足安全和其他标准的要求，例如电磁兼容性 (EMC) 的关键要求，以及对危险电压和/或能量浪涌级别的保护。虽然滤波器元件对于看似"无害"的核心应用来说可能会将 SWaP 因素推向不利方向，但考虑到对电路的重要性，仍要定期提醒自己这些元件存在的原因，并了解背后的动机，而不仅仅是为了满足某些监管要求。
还应当注意的是，虽然从电路原理图/图表的角度来看，滤波器元件可能相当基础，但构造和实现这样的设备可能出乎意料的复杂，尤其是在满足合规性目标和优化 SWaP-C 因素方面。
这就是利用经验丰富的专业人员设计的商业产品进行滤波和保护的好处所在。
尽管在整个系统中各个元器件通常分散分布，但与互连相关的元器件（即电线、电缆组件、连接器等）会对 SWaP 相关的挑战产生重大影响，尤其是在运输方式方面。现代车辆可以轻松容纳超过一英里长的线路，因此总重量也大大增加。在电动传动系统以及传感器基础智能、高级计算和无线通信引入移动交通工具的热潮中，发展呈上升趋势且稳步持续上升。
虽然电子产品的应用领域非常广泛，但散热技术对系统的尺寸和重量有着相当大的影响。尤其是在被动冷却或传导冷却的使用情况下，散热器可能非常庞大笨重。对于强制风冷解决方案，风扇不仅会在整个系统中占用大量空间，而且本身需要的电量也不可忽略，从而加剧了与 SWaP 相关的整体挑战。这也提醒了我们始终追求提高电源效率，从而降低功耗，并促进缓解与 SWaP-C 因素及其他更多设计挑战有关的问题 [1]。
有些应用可能对封装要求很多，这些要求可能会对尺寸和重量产生更大的影响，例如用于封装电子设备的外壳/机箱，甚至灌封材料[2]。推动这些 SWaP 因素的系统要求可以多种多样，其中包括可靠性，例如在环境保护方面，需要考虑的外部因素包括温度、湿度、灰尘、导电颗粒（也称为外来空气金属颗粒），甚至出于防水和/或安全原因还需要进行气密封装。非工程动机也可以在这里发挥作用，例如防止窥探和逆向工程的安全需求。
到目前为止，此处所有元器件和解决方案均在 SWaP 因素的背景下提出，但几乎任何系统或应用程序都会重点关注成本并做出 SWaP-C 分析。由于每种元器件类型/类别的解决方案选择范围广泛，应用空间范围更是广泛，所以在元器件与成本权衡方面规定高度通用的经验法则是不负责任的做法。
不幸的是，电源解决方案常常导致系统尺寸/重量、物料清单 (BOM) 成本增加，甚至阻碍整个系统的开发进度。人们可以进一步探讨与电源解决方案相关的诸多问题（如供应链和制造相关的难题），但这并不是本白皮书的重点或目标。事实上，我们希望本文档及引用的其他资源能够帮助扭转过去的负面看法，让人们乐观地迈向更可持续的未来。
系统最常见的一些品质因数 (FOM) 包括其尺寸、重量和功率（即 SWaP 因素）特性。如果与成本指标结合，也可以称之为 SWaP-C 因素。鉴于在整个系统设计中，上述电源解决方案对这些 FOM 有重大影响，自然就有必要仔细研究这些特性，尤其是那些构成电源子系统或与其密切相关的系统元器件。功率密度通常由总可用功率与整个解决方案的体积决定，这也是元器件尺寸与功率密度呈反比关系的原因。如果与整个解决方案的总质量（通常转化为地球上的重量）相结合，功率密度指标就可能进一步发展，成为无线应用中的一个关键 FOM，接下来的内容将从多个角度进行探讨。
就构成电源解决方案的元器件而言，推动 SWaP（有时还包括成本）因素的主要元器件是磁性元件形式的滤波器元件（即变压器、电感器、环形线圈、扼流圈等）和电容器（即大容量/电解电容、安全电容等）。除了电源调节之外，这些元器件通常还能满足安全和其他标准的要求，例如电磁兼容性 (EMC) 的关键要求，以及对危险电压和/或能量浪涌级别的保护。虽然滤波器元件对于看似"无害"的核心应用来说可能会将 SWaP 因素推向不利方向，但考虑到对电路的重要性，仍要定期提醒自己这些元件存在的原因，并了解背后的动机，而不仅仅是为了满足某些监管要求。
还应当注意的是，虽然从电路原理图/图表的角度来看，滤波器元件可能相当基础，但构造和实现这样的设备可能出乎意料的复杂，尤其是在满足合规性目标和优化 SWaP-C 因素方面。
这就是利用经验丰富的专业人员设计的商业产品进行滤波和保护的好处所在。
尽管在整个系统中各个元器件通常分散分布，但与互连相关的元器件（即电线、电缆组件、连接器等）会对 SWaP 相关的挑战产生重大影响，尤其是在运输方式方面。现代车辆可以轻松容纳超过一英里长的线路，因此总重量也大大增加。在电动传动系统以及传感器基础智能、高级计算和无线通信引入移动交通工具的热潮中，发展呈上升趋势且稳步持续上升。
虽然电子产品的应用领域非常广泛，但散热技术对系统的尺寸和重量有着相当大的影响。尤其是在被动冷却或传导冷却的使用情况下，散热器可能非常庞大笨重。对于强制风冷解决方案，风扇不仅会在整个系统中占用大量空间，而且本身需要的电量也不可忽略，从而加剧了与 SWaP 相关的整体挑战。这也提醒了我们始终追求提高电源效率，从而降低功耗，并促进缓解与 SWaP-C 因素及其他更多设计挑战有关的问题 [1]。
有些应用可能对封装要求很多，这些要求可能会对尺寸和重量产生更大的影响，例如用于封装电子设备的外壳/机箱，甚至灌封材料[2]。推动这些 SWaP 因素的系统要求可以多种多样，其中包括可靠性，例如在环境保护方面，需要考虑的外部因素包括温度、湿度、灰尘、导电颗粒（也称为外来空气金属颗粒），甚至出于防水和/或安全原因还需要进行气密封装。非工程动机也可以在这里发挥作用，例如防止窥探和逆向工程的安全需求。
到目前为止，此处所有元器件和解决方案均在 SWaP 因素的背景下提出，但几乎任何系统或应用程序都会重点关注成本并做出 SWaP-C 分析。由于每种元器件类型/类别的解决方案选择范围广泛，应用空间范围更是广泛，所以在元器件与成本权衡方面规定高度通用的经验法则是不负责任的做法。
图 1：多种 300 W AC/DC 电源解决方案比较，单位为 $/W [3]
一个典型例子就是，经常使用但过于简化且易被误解的度量标准——每瓦特美元 ($/W)。为了理解这一点，请参见下图，该图直接比较了五种不同的 300 W 电源解决方案，涵盖了一系列应用、外形尺寸以及尺寸/重量/密度 FOM。因此，重要的是确定电源解决方案的关键设计要求/目标，然后根据真正推动 SWaP-C 因素的优先列表对其进行评估。当然，您的实际效果可能会有所不同。
2. 优化无线应用的 Swap 因素
对于 SWaP 因素的关注在无线应用中最为突出，在这种应用中，系统的性能、范围和可靠性都取决于可用电源（归根结底，电子世界中的一切都是由电源决定的，对吧？）。无线应用是指系统不需要连接到固定电源的应用，例如墙壁插座的交流电（也称为离线电源）。还包括任何移动设备（从手机到车辆）、大多数交通工具（陆地或航空）、微型设备（可穿戴设备和无线传感器网络），甚至是你可能找到的最不受限制的应用（太空应用）。
无线系统可用电量可能有多种不同的表征方式，但最终都归结为电源和消耗电源的负载之间的平衡。如第一部分所述，SWaP 因素在这一应用领域变得十分重要，因为功能之间的功率分配（例如移动、数据分析、通信等）与支持系统自身开销（例如更大的质量消耗更多的功率预算）之间持续存在冲突。无论是燃料（基于碳氢化合物的燃烧）、电池寿命、续航里程或飞行时间，这种电源利用的特征最终都将成为制约操作的因素。下表列出了许多与应用相关的考虑因素及其对 SWaP-C 因素的影响。
无线系统可用电量可能有多种不同的表征方式，但最终都归结为电源和消耗电源的负载之间的平衡。如第一部分所述，SWaP 因素在这一应用领域变得十分重要，因为功能之间的功率分配（例如移动、数据分析、通信等）与支持系统自身开销（例如更大的质量消耗更多的功率预算）之间持续存在冲突。无论是燃料（基于碳氢化合物的燃烧）、电池寿命、续航里程或飞行时间，这种电源利用的特征最终都将成为制约操作的因素。下表列出了许多与应用相关的考虑因素及其对 SWaP-C 因素的影响。
| 关于特殊设计/支持 SWaP-C 对一些示例应用影响的考虑 | |
|---|---|
| 军用航空航天 [4] |
|
| 运输/铁路 [5] |
|
| 医疗设备 [6] |
|
| 无线网络/物联网 (IoT)/工业物联网 (IIoT)/无线传感器网络 (WSN) [7][8] |
|
表 1：在某些关键无线应用中推动 SWaP-C 特殊要求的简单总结
针对 SWaP-C 因素优化系统权衡的一个绝佳策略是利用一系列具有共同尺寸的元器件。这可以带来诸多优势，比如设计的灵活性，可以调整适应出乎意料的负载偏差（即适应比预期更高的功率或降低比预期更低的功率成本）……
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