今天的工程師面臨著諸多壓力，既要能以更少的時(shí)間成本創(chuàng)造更多的成績(jī)，又要成為多個(gè)領(lǐng)域的專家，并要能更高效地利用資源來實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化。 這種環(huán)境正在推動(dòng)工程師以新的方式來尋求解決方案，以應(yīng)對(duì)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(cái)力或工程資源來指派內(nèi)部團(tuán)隊(duì)來開發(fā)電源，從而滿足所有單個(gè)項(xiàng)目的需求。 通常的替代做法是指派任務(wù)給項(xiàng)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(gè)常見選擇就是，將時(shí)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(jì)好的模塊。 這對(duì)于工程師來說肯定不是一個(gè)新的困境，但是隨著設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)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(duì)設(shè)備的計(jì)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(shì)不斷提高了市場(chǎng)對(duì)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(huì)針對(duì)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(jī)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(jì)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(jìng)爭(zhēng)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(huì)難以將所有元器件集中于電路板級(jí)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(jì)意在僅將元器件安裝在 PCB 單側(cè)時(shí)，這一點(diǎn)尤其突出。 在無(wú)法利用系統(tǒng) PCB 反面的情況下，分立式電源往往會(huì)進(jìn)行擴(kuò)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(jì)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(shí)。 這大大增加了現(xiàn)成模塊的價(jià)值，這類模塊針對(duì)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(jì)好的電源模塊，這三次設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換所占用 PCB 面積的減少過程，其中預(yù)先設(shè)計(jì)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(jì)優(yōu)化

對(duì)于每年要設(shè)計(jì)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(duì)于大多數(shù)工程師來說，分立式電源的設(shè)計(jì)想法可能會(huì)令人生畏，而且難以及時(shí)付諸實(shí)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(jì)，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(jì)最佳實(shí)踐，但各個(gè)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(jì)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(huì)帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)，造成成本、時(shí)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(jì)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(jì)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(huì)面臨時(shí)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(jì)系統(tǒng) PCB，同時(shí)利用電源模塊簡(jiǎn)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(jì)好的模塊，并集中精力完成與其設(shè)計(jì)相關(guān)的其他任務(wù)，而無(wú)需花費(fèi)大量的時(shí)間查詢各個(gè)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(diǎn)遠(yuǎn)離敏感的模擬電路而費(fèi)心費(fèi)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(jiǎn)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(gè)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(jì)驗(yàn)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(shí)，電源的鑒定試驗(yàn)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證是必須考慮的另外兩個(gè)因素。 針對(duì)分立式設(shè)計(jì)進(jìn)行所有必需的鑒定試驗(yàn)實(shí)屬一次非同尋常的嘗試，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間與精力。 一位工程師可能會(huì)花費(fèi)幾個(gè)星期來進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試設(shè)計(jì)，并且每次發(fā)生可能需要的額外板變動(dòng)，項(xiàng)目的成本和時(shí)間也將隨之增加。 相比之下，現(xiàn)成的模塊已經(jīng)過預(yù)測(cè)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(jì)分立式解決方案必須考慮的另一個(gè)事實(shí)為：幾乎在所有情況下，歷史可靠性和性能數(shù)據(jù)無(wú)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(jì)過程帶來了另一層面的風(fēng)險(xiǎn)。 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(jì)之前，可憑借這些記錄對(duì)預(yù)先設(shè)計(jì)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(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，預(yù)先設(shè)計(jì)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(jì)團(tuán)隊(duì)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(jì)成本時(shí)，除了單獨(dú)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(jì)時(shí)間、模擬時(shí)間和工具、布局時(shí)間、主機(jī) PCB 要求、評(píng)估時(shí)間和資本設(shè)備成本。 對(duì)眾多公司而言，從此更高層面來分析項(xiàng)目時(shí)，使用現(xiàn)成的電源模塊可以縮短將項(xiàng)目交付到生產(chǎn)狀態(tài)的時(shí)間，并且風(fēng)險(xiǎn)更小，擔(dān)憂更少，同時(shí)項(xiàng)目的總體成本更低。 這些電源模塊可能無(wú)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(jì)中備受青睞。