可配置电源中典型DSP控制系统设计.doc
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1、可配置电源中典型DSP控制系统设计对于设计有大功率 (100 W) 需求的电子产品来说,选择电源类型的方法似乎简单明了。设计团队有三个基本选择:固定规格的标准零件。 标准零件的规格范围有限,支持电路设计中最常指定的输入和输出。全定制式设计,按照用户的具体规格定制,包括功率、输出数、外形尺寸、环境保护和其它任何必需参数。可配置或可编程电源。 通过选择安装在常用底座单元中的适当模块,可配置电源单元能够支持多种电源规格,还支持不同数量的电源输出。 可编程电源为用户提供了灵活性,让他们能够微调任何给定模块的输入和输出规格。在决定电源规格时,传统思路是采用层级式决策流。这种层级结构的顶部是标准零件。 设
2、计人员普遍认为:只要设计能够使用标准零件,就应该这样做。 按照传统思维,对于任何标准输入/输出组合,标准零件都能实现最优的成本、尺寸和效率组合。这是因为标准零件专门针对一种输入/输出规格进行了优化;还因为它是针对多家客户大批量生产的,存在规模经济优势。但是,如果标准零件没有提供电源设计需要的输出组合,传统层级结构中下一个选择就是全定制零件:这样可为设计团队提供完全符合设计需要的规格,使设计在性能、低物料成本、效率以及客户规定的其他参数方面得到优化。但是,全定制式解决方案不适合某些产品开发项目。 最常见的原因是,项目在产品生命周期内无法创造足够的价值,因而定制解决方案的开发成本也不具备合理性。或
3、者使用定制设计需要花费的时间过长,无法及时将产品推向市场。传统上,决策流的末端才是可配置电源,只有在标准零件或定制电源单元显然不适用的情况下,才会选择它。 换而言之,可配置电源被视为设计人员最后的无奈选择。事实上,本文认为可配置电源才是大多数项目经理的第一选择,电源设计人员应该优先考虑采用。可配置电源:不该只是第三选择?可配置电源同时结合了标准零件和全定制电源的某些优势。与定制电源相同,可配置电源让设计团队能够指定标准零件无法支持的精确输出功率额定值,而不仅只是支持标准零件通常提供的单个或两个电源输出。可配置电源是通过在多个标准模块的通用底座单元中组装而成的。这意味着配置流程远快于全定制式设计
4、流程,因而产品能如标准零件那样快速面市。此外,与固定功能标准零件和全定制式设计相比,可配置电源的总拥有成本通常具有很强的竞争力,具体取决于数量。但是,按照传统思维,只有在无法使用标准零件或全定制式电源的情况下,才应选择可配置电源。当电子产品设计被视为以下性质的过程时,这种选择方式似乎显得合理:过程分散,前代和后续的最终产品设计相互分开过程可预测且易于管理这些条件可能适用于一定比例的设计。但是,很多设计团队面临的实际情况是最终产品不断演进,产生的变体也是产品系列的一部分;在开发过程中,随着市场或技术的变化,设计规范(理论上应该在设计流程开始时确定)实际上不断修改。对于这些设计团队,可配置电源的特
5、性具有更大的意义,因而必须对电源选择决策流程的层级结构进行重新排序。事实上,电源系统设计人员可从可配置、可编程的电源中受益,正如他们从微控制器、微处理器和 FPGA 等其他类型灵活器件中受益那样。展望当今产品的未来:设计灵活性的诸多优势也许电子产业最显著的特点就是能够不断改进集成电路的基本技术,这要通过使用更小巧的电路元件来实现,这些元件的运行速度更快,且功耗和制造成本更低。 摩尔定律意味着下一年的数字逻辑的相对成本将会低于前一年,而且性能还会提升。随着数字逻辑器件的成本日益降低,功能变得更为强大,在可编程软件中实现控制环路功能的范围也变得更加广泛,而原先这些功能仅在硬连线模拟电路中实现。 通
6、过数字器件实现的软件控制可为设计人员提供两大好处:功能增强比起模拟电路,算法能够提供更加先进和复杂的控制功能。灵活性只需将新代码上传到存储器,即可更改在软件中实施的控制环路,这个过程可在产品开发期间无限重复。 而在模拟器件中进行相同的更改需要重新设计电路。 因此,与修改同等的模拟设计相比,修改、调整或增强数字设计规范要简单快捷得多。事实上,可编程性和软件控制的优势已经在电路板电子设计架构领域掀起了一场变革,使得灵活的可编程器件类型(例如 FPGA、微处理器和微控制器)得到广泛采用,替代了以前使用的固定功能 ASIC 或专用标准产品 (ASSP)。实际上,电子行业很久以来一直都有向可编程或可配置
7、架构发展的趋势:英特尔在微处理器技术领域的成功始于上世纪 70 年代早期,当时 Federico Faggin 率先认识到实现商业计算器设计的好处,他利用了在软件中执行计算功能的通用微处理器,而不是硬连线的 ASIC。为什么可配置或可编程器件类型的灵活性具有如此大的吸引力?因为对于设计团队工作的多变环境而言,它们的灵活性是最有效的应对手段。在开发过程中,产品营销人员经常会变更设计团队正在开发的产品的规格。元器件供应商不断推出新产品,它们提供了经过改进的性能和附加的功能,或者具有更低的成本。在设计过程中,甚至在设计完成之后,设计团队都会频繁更改设计,目的是及时充分利用新技术。OEM 力求通过在整
8、个产品系列中重复使用知识产权和生产工具,来降低设计和制造成本。OEM 的目标通常是利用单个基础产品的多种变体,满足不同细分市场的需求和不同的客户要求。与电路设计的其他所有元素相同,这些压力也会影响电源系统的设计。那么,电源供应商也能利用数字逻辑来提供电源系统设计人员需要的灵活性吗?可配置和可编程电源提供了多大的灵活性?灵活的电源以两种形式提供:可配置电源单元(例如 Artesyn 的 MP 系列)、完全可编程电源(例如 Artesyn 的 iMP 系列)。 这两种类型的电源通过不同方式使用数字技术,为用户提供设计灵活性。可配置电源包括 AC-DC 数字控制电源转换前端,具有功率因数校正 (PF
9、C) 功能,还包括一系列模块,可选择用于提供所需的电压和电流输出组合。若要更改输出值,只需使用一个模块替代另一个模块即可;底座单元的封装和板连接保持不变。图 1:可配置电源中的典型 DSP 控制输出模块的方框图。完全可编程电源采用数字技术来控制 AC-DC 前端和各个模块。这样可以提供更多的灵活性和可控制性:利用可编程电源的软件接口,设计人员不仅能够微调电压和电流输出,还能够控制其他重要功能,例如过温阈值和风扇转速。在 Artesyn 的 iMP 可编程电源中,每个模块中的电源转换都是完全数字控制的,这样可以支持电池充电例程等智能电源方案的实现。图 2:Artesyn 提供的 iMP 系列可编
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