半定制电源：生产或购买
2019-2-5
本白皮书旨在帮助工程师在回答“构建或购买？”这个问题时做出最明智的决定。
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1. 引言
“自行生产，还是购买？”这是个问题
在确定新设计的系统电源预算需求和单个电源轨需求时，评估将必然集中到是在内部设计每个电源解决方案，还是寻求外部供应商采购成套（即现成的）解决方案。暂且不谈设计内部电源解决方案所需的极高技术熟练度和丰富经验，单说涉及的资源、流程和资格/认证数量也多到令人难以想象。
本白皮书涉及的许多因素都与整体评估过程有关，但我们不会在此深入探讨所有考虑因素。每个因素都可以编制一本完整的白皮书，甚至可以形成一套随附多年实践经验的多日培训课程。本白皮书旨在帮助工程师在回答“生产还是购买？”这个问题时能做出最明智的决策。决策有时不能直接做出，需要进行更详细的成本效益/总拥有成本 (TCO) 分析，而不仅仅局限于物料清单 (BOM)。
本白皮书涉及的许多因素都与整体评估过程有关，但我们不会在此深入探讨所有考虑因素。每个因素都可以编制一本完整的白皮书，甚至可以形成一套随附多年实践经验的多日培训课程。本白皮书旨在帮助工程师在回答“生产还是购买？”这个问题时能做出最明智的决策。决策有时不能直接做出，需要进行更详细的成本效益/总拥有成本 (TCO) 分析，而不仅仅局限于物料清单 (BOM)。
每个应用领域和市场都有自己的独有特点
在考虑电源解决方案的策略方法时，设计上重点关注的优先事项是尺寸、重量和功率 (SWaP) 因素，有时也被称为 SWaP-C（包括成本要素）因素。在交通（特别是电动交通）、军用航空航天、便携式医疗和高端运输（如铁路应用）等电源系统应用中，SWaP 尤其重要。 正如我们将要阐述的那样，这些 SWaP 因素的优化往往存在冲突，因此没有能让每个因素都达到最佳效果的通用规则，这样一来，为您的系统和应用寻找正确的平衡更像是一种艺术创造而不是机械死板的过程。
在许多情况下，设计优先级冲突必须应对工程师无法控制的物理现象。在努力实现以简单至上为原则的业务和性能目标时，这可能会面临双重挑战。因此，简化决策过程和成本核算模型的好处可能与实现更准确、知情程度更高的过程之间存在矛盾。例如，以美元/瓦特 ($/W) 为例，该指标试图通过评估单位成本与最大（连续）额定输出功率的基本比率作为衡量电源成本的基准。
整个行业的设计工程师都被要求使用这一指标来评估电源设计，并推动解决方案的选择过程。然而，由于解决方案的动力传动系统（以及最大额定功率）通常不是 TCO 成本的线性驱动器，因此这项指标会变得颇具挑战性。
对于对间距/安全性、密封、基板材料/涂层、滤波或甚至连接器有特殊需求的应用来说，其中任何一个元器件的成本都可能与电源 BOM 其余部分的成本相当，因此“美元/瓦特”指标与实际偏差极大。下图显示了一个简单的例子，比较了几种 300 W AC/DC 解决方案。
图 1：多种 300 W AC/DC 电源解决方案比较，单位为 $/W [1]
下表中列出了一些应用特定的设计细节和挑战。我们将在本白皮书的后续部分探讨如何处理其中的一些设计权衡。
在许多情况下，设计优先级冲突必须应对工程师无法控制的物理现象。在努力实现以简单至上为原则的业务和性能目标时，这可能会面临双重挑战。因此，简化决策过程和成本核算模型的好处可能与实现更准确、知情程度更高的过程之间存在矛盾。例如，以美元/瓦特 ($/W) 为例，该指标试图通过评估单位成本与最大（连续）额定输出功率的基本比率作为衡量电源成本的基准。
整个行业的设计工程师都被要求使用这一指标来评估电源设计，并推动解决方案的选择过程。然而，由于解决方案的动力传动系统（以及最大额定功率）通常不是 TCO 成本的线性驱动器，因此这项指标会变得颇具挑战性。
对于对间距/安全性、密封、基板材料/涂层、滤波或甚至连接器有特殊需求的应用来说，其中任何一个元器件的成本都可能与电源 BOM 其余部分的成本相当，因此“美元/瓦特”指标与实际偏差极大。下图显示了一个简单的例子，比较了几种 300 W AC/DC 解决方案。
图 1：多种 300 W AC/DC 电源解决方案比较，单位为 $/W [1]
下表中列出了一些应用特定的设计细节和挑战。我们将在本白皮书的后续部分探讨如何处理其中的一些设计权衡。
| " 示例应用专门设计/支持要求" | |
|---|---|
| 军用航空航天 |
|
| 运输/铁路 |
|
| 医疗成像 |
|
表 1：针对一些关键应用领域专门要求的简单总结
考虑集成宽带隙 (WBG) 元器件吗？
考虑到不断提高电源效率和满足 SWaP 指标要求的巨大压力，过去 10-12 年来，由于 FET/二极管特性（如阻断电压、沟道导通电阻、栅极电荷、热导、开关速度和封装尺寸）的优越性能，采用集成 WBG 解决方案（通常是氮化镓或碳化硅，即 GaN 或 SiC）的呼声越来越高。
图 2：WBG 材料与 Si 材料雷达基准性能图 [2]
图 2：WBG 材料与 Si 材料雷达基准性能图 [2]
应明确指出，在几乎所有类似应用中（在本白皮书中，至少应限制为非射频开关电源应用），WBG 元器件并不能直接替代同类 Si 产品。以 GaN 高电子迁移率晶体管或 HEMT 为例。
与 Si FET 相比，GaN HEMT 的开关能量显著降低，电子迁移率更高，可以在纳秒级范围内完成转换，但是现在，这种极端的电流转换可能导致以前无害的寄生回路电感引发灾难性的电压过冲，如下面的简单计算示例中所示。对于硅基设计中的电流压摆率来说，仅仅几纳亨的寄生电感可以忽略不计，但是对于基于 GaN 的设计来说却是灾难性的。
与 Si FET 相比，GaN HEMT 的开关能量显著降低，电子迁移率更高，可以在纳秒级范围内完成转换，但是现在，这种极端的电流转换可能导致以前无害的寄生回路电感引发灾难性的电压过冲，如下面的简单计算示例中所示。对于硅基设计中的电流压摆率来说，仅仅几纳亨的寄生电感可以忽略不计，但是对于基于 GaN 的设计来说却是灾难性的。
图 3：升压 DC/DC 拓扑中寄生电感的电流流动表示（红/黄/绿）[2]
图 4 - 基于常见器件封装和特性的寄生电感感应电压过冲计算 [2]
EMI 滤波器设计是一种用各种方程和物理学知识造就的艺术
在绝大多数应用中，如果无法满足电磁兼容性 (EMC) 要求来减轻电磁干扰 (EMI)，那么无论您设计的电源多么高效、密集、稳定和实惠，都毫无用处，因为这是大多数地理部署区域的法律要求。
在本白皮书中，我们没有足够的篇幅来讲解所有方程（即 Middlebrook 稳定性准则、滤波器谐振/元器件计算等）和滤波器设计要考虑的设计指南，但要强调的是，滤波器设计的挑战性可能超乎想象。滤波器元件通常位于开发的关键路线上，因为它们对于通过 EMC 至关重要，也可能是 BOM 中最大和/或最昂贵的元件。在电源设计和优化上，千万不要轻视这个方面。
幸运的是，网上提供了一些有助于 EMI 设计的免费资源，例如 RECOM DC/DC 和 AC/DC 知识手册 [3b]
在本白皮书中，我们没有足够的篇幅来讲解所有方程（即 Middlebrook 稳定性准则、滤波器谐振/元器件计算等）和滤波器设计要考虑的设计指南，但要强调的是，滤波器设计的挑战性可能超乎想象。滤波器元件通常位于开发的关键路线上，因为它们对于通过 EMC 至关重要，也可能是 BOM 中最大和/或最昂贵的元件。在电源设计和优化上，千万不要轻视这个方面。
幸运的是，网上提供了一些有助于 EMI 设计的免费资源，例如 RECOM DC/DC 和 AC/DC 知识手册 [3b]
2.决策过程
我应该从 Google/YouTube 开始寻找信息，还是应该通过电子邮件/电话进行咨询？
现在，我们已经讨论完定义新电源解决方案需求时需要关注的许多问题，接下来应该开始研究和确定最佳的开发路线了。通常可以采取两种方法：一是打开互联网浏览器开始寻找一些指导/建议/解决方案，二是打电话或发送电子邮件来获取成熟的可靠资源。这里没有绝对正确的答案，甚至可以说，最优解是利用混合方法进行一些设计技术、电源拓扑和既定解决方案的基础研究，再辅以专家给出的意见。
混合方法最合适，因为即使是口碑良好的电源供应商/专家也会存在自己的偏见，尤其是在试图销售他们自己的产品时。挖掘网络研讨会和技术论文等资源可以获得大量有用信息，但必须保持谨慎的态度。了解来自学术资源的大多数技术论文非常重要，这些资源可以很好地解决非常受控环境中的棘手问题，但可能不太适合工业和/或大规模应用，或者在成本上不切实际。
这两类资源都非常丰富，从计算器/模拟工具和白皮书/应用说明/网络研讨会到用于评估元器件的硬件/软件仿真工具，例如评估板/套件。
数字电源解决方案通常会配备 GUI 或某种软件应用程序，以便于硬件的接口配置/设置。而构建和测试实际的电路板则更胜一筹。如果要研究特定的元器件，那么一定要同时关注供货情况和技术规范。主要分销合作伙伴（例如 Mouser、Arrow、Digi-Key 等）在这方面做得非常好，因为他们的产品清单十分详尽，而且库存情况可以作为全球供应的关键指标。请记住，如果您无法订购（或在需要时收到）某个器件，那么这个器件是否完美就无关紧要。
混合方法最合适，因为即使是口碑良好的电源供应商/专家也会存在自己的偏见，尤其是在试图销售他们自己的产品时。挖掘网络研讨会和技术论文等资源可以获得大量有用信息，但必须保持谨慎的态度。了解来自学术资源的大多数技术论文非常重要，这些资源可以很好地解决非常受控环境中的棘手问题，但可能不太适合工业和/或大规模应用，或者在成本上不切实际。
这两类资源都非常丰富，从计算器/模拟工具和白皮书/应用说明/网络研讨会到用于评估元器件的硬件/软件仿真工具，例如评估板/套件。
数字电源解决方案通常会配备 GUI 或某种软件应用程序，以便于硬件的接口配置/设置。而构建和测试实际的电路板则更胜一筹。如果要研究特定的元器件，那么一定要同时关注供货情况和技术规范。主要分销合作伙伴（例如 Mouser、Arrow、Digi-Key 等）在这方面做得非常好，因为他们的产品清单十分详尽，而且库存情况可以作为全球供应的关键指标。请记住，如果您无法订购（或在需要时收到）某个器件，那么这个器件是否完美就无关紧要。
内部电源开发策略的关键考虑因素
像生活中的大多数事情一样，成功源于良好的沟通，电源开发当然也不例外。许多典型问题（例如 - 现场故障、进度滞后、预算超支、生产效率低下等）实际上可以归因于与关键利益相关者的沟通（或沟通不足）。即使是像确保电源利益相关者与产品/市场需求文档 (PRD/MRD) 所有者一起坐下来交谈这样简单的事情，也可以提高成功解决这些常见痛点的几率。确保对清楚了解以下内容：
- 电源解决方案/系统需要做什么（例如功能规范）；
- 这不仅仅与电源的最小/最大/标称设定值有关，还包括了解其供电系统的功能要求。一级需求是满足负载的静态和动态（瞬态）功率需求，但还需要考虑许多二级需求，例如为整体热特性提供支持（与系统环境特性以及电源冷却解决方案的兼容性）以及电源和系统之间必须存在何种 SW/FW 交互（即故障处理）。
- 工作环境（例如安全/测试/资格要求）；
- 除了环境温度/湿度，还必须考虑其他可能影响设计和性能的因素。支持宽海拔高度直接转化为更宽的海平面工作温度范围。也许系统处于腐蚀性强的环境（如油气深井应用），或者易受更极端的冲击、振动或辐射影响。
- 还应当特别关注极端温度的影响。电池将具有不同的容量，或者难以满足冷启动需求。电容器的寿命可以……
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