今天的工程師面臨著諸多壓力，既要能以更少的時間成本創(chuàng)造更多的成績，又要成為多個領(lǐng)域的專家，并要能更高效地利用資源來實現(xiàn)利潤最大化。 這種環(huán)境正在推動工程師以新的方式來尋求解決方案，以應(yīng)對他們面臨的最緊迫挑戰(zhàn)；特別是關(guān)于不可避免且必不可少的電力供應(yīng)問題。

如今大多數(shù)公司都不具備財力或工程資源來指派內(nèi)部團隊來開發(fā)電源，從而滿足所有單個項目的需求。 通常的替代做法是指派任務(wù)給項目的其中一位工程師（或者往往是加以重任），專門尋找適合應(yīng)用需求的電源。 工程師在這種情形下面臨的一個常見選擇就是，將時間花在從分立元件開發(fā)電源上，還是使用來自外部供應(yīng)商的預(yù)先設(shè)計好的模塊。 這對于工程師來說肯定不是一個新的困境，但是隨著設(shè)計周期的加速，所有行業(yè)的應(yīng)用都需要在更小的空間中提供更大的功率，因此解決這個古老問題的方法也在不斷演進(jìn)。

功率密度

分立式電源解決方案和預(yù)先設(shè)計好的模塊之間最常見的折衷之處就是，占據(jù)的空間和提供的相關(guān)功率密度的折衷。 功率密度衡量的是單位占用體積所轉(zhuǎn)換功率的瓦數(shù)；通常表示為瓦特每立方英寸 (W/in3)。 如今大多數(shù)行業(yè)不斷對設(shè)備的計算能力、感應(yīng)能力和功能集提出了更高要求。 然而，分配于執(zhí)行上述任務(wù)的空間并未增加，并且在很多情況下還要求減少占用的空間。 這種形勢不斷提高了市場對密度更大和集成度更高的解決方案的需求，供電系統(tǒng)也不例外。

現(xiàn)有的電源模塊通常會針對尺寸進(jìn)行優(yōu)化，可在最小的空間內(nèi)提供最大的瓦數(shù)。 例如，下圖 1 展示了 CUI 的 VMS-365 系列 AC-DC 電源，其中采用機架安裝式封裝，可提供高達(dá) 18 W/in³ 的功率密度。

圖 1：CUI VMS-365 是一款開放框架 AC-DC 電源，可提供高達(dá) 18 W/in³ 的功率密度。

另一種截然不同的方法是，使用分立元器件將電源直接設(shè)計到系統(tǒng) PCB 上。 在這些解決方案中，電源解決方案和其余系統(tǒng) PCB 功能之間往往存在相互競爭空間的需求。 由于電源需要采用龐大笨重的元器件，這樣可能會難以將所有元器件集中于電路板級解決方案，從而導(dǎo)致功率密度大幅度降低。 當(dāng)應(yīng)用設(shè)計意在僅將元器件安裝在 PCB 單側(cè)時，這一點尤其突出。 在無法利用系統(tǒng) PCB 反面的情況下，分立式電源往往會進(jìn)行擴展，從而占用寶貴的 PCB 板空間。

在這些情況下，系統(tǒng) PCB 限于僅將元器件安裝在電路板一側(cè)，預(yù)先設(shè)計好的電源模塊可節(jié)省極大的空間；尤其是應(yīng)用中存在能利用 Z 軸的垂直空間（即垂直于系統(tǒng) PCB 表面的區(qū)域）時。 這大大增加了現(xiàn)成模塊的價值，這類模塊針對尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，并提供了即插即用的解決方案。 下圖 2 展示了從單側(cè)分立式供電解決方案，到雙側(cè)分立式供電解決方案，最終到預(yù)先設(shè)計好的電源模塊，這三次設(shè)計轉(zhuǎn)換所占用 PCB 面積的減少過程，其中預(yù)先設(shè)計好的電源模塊能夠利用 PCB 上方 Z 軸空間。

圖 2：分立式與模塊化電源解決方案所占用板空間的示例。

設(shè)計優(yōu)化

對于每年要設(shè)計多種分立式電源的工程師們來說，很可能需要構(gòu)建一套易于理解、值得信賴的“可靠”元器件。 然而，對于大多數(shù)工程師來說，分立式電源的設(shè)計想法可能會令人生畏，而且難以及時付諸實踐。 因此，許多工程師經(jīng)常借助于各種電源元器件廠商的參考設(shè)計，目的是加快進(jìn)程。 電源元器件廠商竭盡所能幫助確定物料清單 (BOM)、布局建議和設(shè)計最佳實踐，但各個應(yīng)用不盡相同，因此通常要求工程師切勿根據(jù)參考設(shè)計生搬硬套，以在性能、空間限制、熱量或 EMI 要求方面滿足自身應(yīng)用的要求。 這樣會帶來一定的風(fēng)險，造成成本、時間和性能方面的復(fù)雜化。

例如，一款新型應(yīng)用可能僅要求采用 1 盎司銅的 2 層 PCB，但為分立式電源解決方案所選擇的參考設(shè)計推薦采用 2 盎司銅的 4 層 PCB。 這種選擇方案使 PCB 層數(shù)和整塊應(yīng)用板的銅重增倍，但這必定導(dǎo)致設(shè)計成本顯著提高。 此外，要精心布局電源層并根據(jù)控制器廠商的建議來優(yōu)化分立元器件的印制線，仍然會面臨時間成本負(fù)擔(dān)。

相比之下，現(xiàn)成的電源模塊使工程師得以做到兩全其美；他們能夠以最少的層數(shù)和最輕的銅重設(shè)計系統(tǒng) PCB，同時利用電源模塊簡化和優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換需求。 工程師只需要選擇尺寸適中的預(yù)先設(shè)計好的模塊，并集中精力完成與其設(shè)計相關(guān)的其他任務(wù)，而無需花費大量的時間查詢各個分立元器件廠商、布局電源層、維持反饋回路的緊密性和安靜狀態(tài)，以及為保持開關(guān)節(jié)點遠(yuǎn)離敏感的模擬電路而費心費力。

以 CUI PBO-5 系列 5 瓦 AC-DC 轉(zhuǎn)換器為例，具體情況如下所示。 這些緊湊型模塊提供簡單的板安裝解決方案，將各種電路的交流線路電源轉(zhuǎn)換為直流電源軌（輸出電壓范圍為 3.3 至 24 VDC）。 這些 PBO 模塊都已獲得 UL 和 CE 認(rèn)證，能夠提供 3 kVAC 的隔離電壓，并可在一個便捷的超緊湊 SIP 封裝中提供短路和過流兩種保護(hù)。

圖 3：CUI 5 瓦 PBO SIP AC-DC 系列已經(jīng)過優(yōu)化，可利用 Z 軸，從而大大減少板空間。

設(shè)計驗證

工程師在分立式電源與模塊化解決方案之間做出抉擇時，電源的鑒定試驗和設(shè)計驗證是必須考慮的另外兩個因素。 針對分立式設(shè)計進(jìn)行所有必需的鑒定試驗實屬一次非同尋常的嘗試，需要耗費大量的時間與精力。 一位工程師可能會花費幾個星期來進(jìn)行設(shè)計和調(diào)試設(shè)計，并且每次發(fā)生可能需要的額外板變動，項目的成本和時間也將隨之增加。 相比之下，現(xiàn)成的模塊已經(jīng)過預(yù)測試和預(yù)鑒定，并且往往也通過了預(yù)先認(rèn)證，能夠滿足電力系統(tǒng)必須符合的適用安全性和 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。 通過選擇預(yù)先認(rèn)證的電源模塊，往往可加快終端應(yīng)用的認(rèn)證進(jìn)程。

設(shè)計分立式解決方案必須考慮的另一個事實為：幾乎在所有情況下，歷史可靠性和性能數(shù)據(jù)無法用于幫助分析產(chǎn)出率和故障率等指標(biāo)。 這反過來又為設(shè)計過程帶來了另一層面的風(fēng)險。 在另一方面，模塊化電源通常具備電源廠商提供的可追蹤品質(zhì)記錄，工程師在將其納入應(yīng)用設(shè)計之前，可憑借這些記錄對預(yù)先設(shè)計好的電源解決方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶彶椤?/p>

摘要

坦白而言，嚴(yán)格查看物料清單時會發(fā)現(xiàn)，預(yù)先設(shè)計好的模塊幾乎總是比分立器件更為昂貴。 這就是眾多開發(fā)大批量應(yīng)用的公司，將其設(shè)計團隊推向分立式解決方案的原因。 根據(jù)目標(biāo) BOM 成本、應(yīng)用要求和內(nèi)部研發(fā)能力等因素，分立式解決方案可能是適應(yīng)需求的理想選擇。 然而，在分析設(shè)計成本時，除了單獨考慮 BOM 成本之外，還必須涉及到的所有相關(guān)資源，包括設(shè)計時間、模擬時間和工具、布局時間、主機 PCB 要求、評估時間和資本設(shè)備成本。 對眾多公司而言，從此更高層面來分析項目時，使用現(xiàn)成的電源模塊可以縮短將項目交付到生產(chǎn)狀態(tài)的時間，并且風(fēng)險更小，擔(dān)憂更少，同時項目的總體成本更低。 這些電源模塊可能無法為所有應(yīng)用提供解決方案，但鑒于上述原因，電源模塊將繼續(xù)在越來越多設(shè)計中備受青睞。