瞭解電源系統設計的靈活性與可配置性帶來的真正優勢

對於功率需求較大（大於 100 W）的電子產品設計，選擇電源供應器類型的方法似乎簡單明瞭。

設計團隊有三個基本選項：

• 固定規格的標準零件。 標準零件的規格範圍有所限制，支援最常指定用於電路設計的輸出與輸入。
• 全自訂式設計，符合使用者指定的確切規格，包括電源、輸出端數量、尺寸、環境防護及任何其他所需參數。
• 可配置或可編程的電源供應器。 可配置型電源供應器單元在常用的基礎單元內納入精選的模組，即可支援多種電源規格與多種功率輸出。 可編程型電源供應器能讓使用者彈性微調特定模組的輸入與輸出規格。

在選擇過程中，傳統的電源規格思維會以層級方式進行考量。

最上層是標準零件。 一般普遍認為，只要可以在設計中使用標準零件，就應該這麼做。 傳統思維認為，標準零件能為任何標準輸入／輸出組合提供最佳的成本、尺寸及效率組合。

這是因為標準零件會針對特定的一個輸入／輸出規格進行最佳化，而且能大量生產供眾多客戶使用，藉此享受規模經濟優勢。

如果標準零件無法提供電源設計所需的輸出組合，在傳統的層級考量下，就會考慮全自訂式零件。這種零件能提供設計團隊所需的確切規格，讓設計在效能、低材料成本、效率或客戶指定的其他參數上達到最佳化。

但全自訂式解決方案並不適用於某些產品開發計畫。 最普遍的原因是，該計畫的生命週期價值不夠高，因此不值得在自訂式解決方案上付出開發成本，或是自訂式設計必須花太多時間才能上市。

因此在傳統思維下，一旦明確發現標準零件和自訂式電源供應器都不適用時，選擇過程最終只能來到可配置型電源供應器一途。 也就是說，可配置型電源供應器實際上是設計人員的最後選項。

事實上，本文認為可配置型電源供應器理當成為多數計畫經理與電源供應設計人員的優先考量。

可配置型電源供應器：不該只是退而求其次的選擇？

可配置型電源供應器結合了標準零件與全自訂式單元的部分優點。

可配置型電源供應器如同自訂式零件，能讓設計團隊指定標準零件所不支援的精確輸出功率額定值，而且可支援超過標準零件所提供的功率輸出數（一般為一個或兩個）。

可配置型電源供應器係將多個標準模組納入共用基礎單元中組裝而成。

這樣的配置流程會比全自訂式設計流程快上許多，因此能提供和標準零件一樣快的上市時間。

此外，可配置型電源供應器的總持有成本，與相當的固定功能標準零件及全自訂式設計相比，通常更具競爭力（視數量而定）。

不過傳統上還是認為，只有在無法使用標準或全自訂式零件時才會選擇可配置型電源供應器。

倘若電子產品的設計採用以下流程，此考量較為合理：

• 離散式流程（與之前和之後的最終產品設計無關）
• 可預測且容易管理的流程

這些情況可能適用於部份設計。

但許多設計團隊的工作思維是，最終產品會進化並衍生出不同產品系列，而且設計規格（理論上在設計流程開始時便固定）在實際的開發過程中，會隨著市場或技術狀況的變動而持續修改。

對他們來說，可配置型電源供應器的特性此時將更為重要，因此在決定電源供應器時，層級順位將有所調動。

事實上，電源系統設計人員能從可配置與可編程電源供應器獲得的優勢，和其他靈活裝置類型（例如微控制器、微處理器及 FPGA）的使用者相同。

超越現今產品的展望：設計靈活性賦予的眾多優勢

電子產品產業最卓越的特點或許在於，能使用更小的電路元件進行更高速工作，並且使用更低的耗電和花費來製造，藉此持續改善積體電路的基礎技術。 摩爾定律意指隔年的數位邏輯相對成本會比前一年低，且效能更高。

隨著數位邏輯的價格更低廉、功能更強大，用（可編程）軟體執行控制迴路功能的應用範圍，比起以往必須用固接式類比電路執行，將更為廣泛。 透過數位裝置實作的軟體控制，能為設計人員提供兩大優勢：

• 功能提升 – 比起類比電路，演算法能提供更精密且複雜度的控制功能。
• 靈活性 – 只要將新的程式碼上傳至記憶體（此流程可在產品開發期間無限重複進行），就能改變軟體中所實作的控制迴路。 若要在類比裝置中進行同樣的變動，則需要重新設計電路。 因此，修改、調整或改善數位設計的規格會比修改同等類比設計要簡單快速許多。

事實上，可編程性與軟體控制的優勢已引領電子產品設計的架構徹底改變，並促使原先採用固定功能式 ASIC 或應用專屬標準產品 (ASSP) 的應用，轉而大量採用 FPGA、微處理器及微控制器等類型的靈活可編程裝置。

其實，業界轉向可編程或可配置架構早就有跡可尋：Intel 在微處理器技術方面的成功始於 1970 年代早期，當時 Federico Faggin 率先達到商業計算器設計的實作優勢，使用一般用途微處理器在軟體中執行運算功能，而非使用固接式 ASIC。

可配置或可編程裝置的靈活性特點為何如此吸引人？

因為這能最有效因應設計團隊所身處的高變動環境。

• 在產品開發過程中，產品行銷人員常會改變設計團隊正在開發的規格。
• 元件供應商不斷引進具有更高效能、額外功能或更低成本的新款產品。
• 設計團隊經常會在產品設計期間時，甚至在設計完成後修改設計，以便在新技術可用時加以利用。
• OEM 力圖在各產品系列間重複使用相同的 IP 與生產工具，藉此限制設計與生產成本。
• OEM 一般會期望以單一基礎產品的許多款式來因應不同的市場區隔及客戶需求。

這些壓力對電源系統設計產生的影響，與電路設計的任何其他要素幾乎一樣。

如此說來，電源供應器是否也能使用數位邏輯提供電源系統設計人員所需要的彈性呢？

可配置和可編程的電源供應器能提供多大的彈性呢？

靈活的電源供應器有兩種形式，包括可配置型電源供應器（如 Artesyn 的 MP 系列）及完全可編程型電源供應器（如 Artesyn 的 iMP 系列）。 這兩種類型採用不同的數位技術，為使用者提供設計靈活度。

可配置型電源供應器含有AC-DC 數位控制電源轉換前端並具備功率因數校正 (PFC) 功能，並可選擇多種模組，以提供不同的電壓與電流輸出組合。

若要變更輸出值，只需要簡單更換模組即可；基礎單元的覆蓋區與電路板連接保持不變。

圖 1：可配置型電源供應器中的典型 DSP 控制輸出模組方塊圖。

完全可編程的電源供應器使用數位技術來控制 AC-DC 前端與各個模組。

這能提供更高的靈活性與可控制性：可編程電源供應器所提供的軟體介面，不但能讓設計人員微調電壓與電流輸出，還能控制其他重要的功能，像是過溫閾值和風扇轉速。

在 Artesyn 的 iMP 可編程電源供應器中，各個模組中的電源轉換完全以數位方式控制，而這能支援智慧型電源方案的實作，例如電池充電例行作業。

圖 2：iMP 系列可編程電源供應器內的 Artesyn 軟體，能讓使用者即時監控系統狀態。

這些先進的電源供應器，讓電源系統設計人員在產品開發期間及之後都能享有彈性。 確定適當的輸入與輸出功率範圍後，系統設計團隊可實作電路板佈局，讓電源供應器的覆蓋區和連接在產品生命週期內保持不變。 若要改變輸出電壓或電流值，或是增加額外輸出，可選取適當的模組達成；若是可編程型電源供應器，則可透過軟體變更數位控制迴路達成。

由於基礎單元的覆蓋區保持不變，因此模組可立即更換，無需額外花時間設計，也無需支付一次性工程費用 (NRE) 或加工成本。

也可在生產期間修改已完成的設計，以改變電源設定檔，而且不需要更改覆蓋區，也不需進行任何新的工廠加工作業。

相較之下，若要更換固定規格標準零件來提供不同的功率輸出，一般需要重新設計電路板佈局與端子，大幅研長設計流程，且會增加設計成本。 若是全自訂式電源供應器，變動可能會造成更大的影響，不僅需要支付額外的 NRE 費用來支援規格的變動，也會為了設計與製造新的電源供應器而延遲時間。

靈活性如何改變選擇電源系統時的決策考量層級

「多變性」是電子設計工程師一直以來面臨的問題。 靈活、可配置的電源供應器能讓設計人員快速果斷地應對變動，而且成本具競爭力。

因此，對於未來的電源系統設計人員而言，電源系統的決策考量層級勢必有所改變。許多設計人員的第一項考量將變成：要採用靈活還是固定功能的電源供應器？ 而不是：要採用標準零件還是全自訂式設計？

設計團隊若面臨以下任一情況，則適合在設計流程的一開始便選擇可配置或可編程的電源供應器：

1. 功率預算的不確定性

管理功率預算不確定性目前可接受的方式是「超過指定值」。 在傳統的功率預算估計流程中，必須預測設計中各個功能區塊的功率需求，並且對每個區塊增添容錯幅度。 接著會加總每一項估算值以產生總體的功率預算，並在此總體功率預算上加入容錯幅度。

因此，已完成設計的實際功率需求通常會明顯低於總體功率預算中的預測值。 若使用固定功能的電源供應器，該設計最後會產生超過指定值的單元，這不僅更加昂貴，而且可能超出實際需求。

但若使用可配置或可編程的電源供應器，電源供應器的覆蓋區與尺寸從設計的一開始便能維持固定，但輸出電壓與電流值可在設計期間不斷變動。 這麼一來，即使功率預算在設計初期並不確定，設計團隊仍可在最終的電源供應單元上達到最佳的功率效能、效率及成本組合。

2. 行銷規格的不確定性

客戶的需求與期望不斷改變。 新的市場情報有助於更深入洞悉客戶真正的需求。 新推出的元件則能提供客戶希望獲得的新功能。

這些現象都可能促使產品行銷人員即便在最終產品開始開發後，仍會對先前為 OEM 設計團隊訂立的規格做出變更。 在某些情況下，這些變動會導致不同的功率需求。

可配置型電源供應器能讓設計團隊立即因應行銷規格的變更，避免因自訂式單元規格的更改或標準零件的更換而產生相關的 NRE 或設計成本。 因此，OEM 能在這種對客戶需求更加敏銳的設計流程中受益，也能更快速回應客戶需求的變更。

3. 產品未來修改的不確定性

典型的最終產品行銷策略，希望用共同平台衍生多種產品。 如此即可重複利用 IP 與生產工具，同時可滿足不同市場區隔的需求，針對各市場區隔的客戶提供最佳化的產品。

但要依此平台產品提供多少款式呢？ 這些款式需減少功能來降低成本，還是增加功能以提供附加價值？

在設計平台產品時，很少有人能回答這些問題。 因此，也無法事先得知基礎產品的每個衍生產品的最終功率需求。

可配置型電源供應器能以單一板佈局與電源供應器覆蓋區達成多種功率需求，因此不確定性不會影響 OEM 設計人員。 只要在固定基礎單元內變更模組，即可輕鬆因應不同的功率需求。

設計團隊便能夠以具有競爭力的成本，快速為每個產品款式實作最佳化電源系統，進而快速回應客戶的不同需求。

使用靈活電源供應器獲得的眾多優勢

本文認為設計團隊應在決策流程的一開始，便先考量要選擇靈活或是固定功能的電源供應器。

接著探討，即便效能相當的標準零件能以較低成本達到設計團隊當下的需求，團隊還是會選擇使用可配置型電源供應器。 會如此決定，是因為使用可配置型電源供應器，從靈活性中獲得的優勢，會比增加的少量成本更有價值。 許多設計團隊發現，在產品的生命週期中，比起採用標準零件，選擇可配置型電源供應器其實成本更為低廉。

降低物料清單成本

可依據設計需求指定電源供應器的規格，而不是超過指定值，以便針對異動或估算值誤差而預留調整空間。

加速上市時間

若採用標準零件或全自訂式電源供應器，則需花時間重新設計電路板佈局與生產工具，以便因應變更的電源供應器，但使用可配置型電源供應器，只需替換固定式基礎單元中的模組即可。

圖 3：靈活電源供應器的優勢。

降低設計成本

功率需求變更時，電路板的佈局和端子不用改變。

設計更出色，更能吸引客戶

使用可配置型電源供應器，就能開發更多功能且更多樣的產品款式，在不同市場區隔中提高吸引力。 在製造不同產品款式時，完全不必為了因應新的電源規格，而重新設計電路板佈局或新的生產工具。 僅需更換電源模組，便能立即完成變更。

Artesyn Embedded Technologies 提供的可配置型與可編程電源供應器

Artesyn 提供可配置與完全可編程的電源供應器。

μMP 系列

Artesyn 的 μMP 系列 (MicroMP) 屬於高密度 1U 型電源供應器，支援 400 W 至 1800 W 的功率需求。 µMP 系列的價格可媲美非可配置型電源供應器，並能提供市場領先的密度、效率與可靠度。

圖 4：Artesyn 的 MicroMP 系列可配置型電源供應器。

Artesyn 的 µMP 系列產品完全通過 EN60950 ITE 與 EN60601（醫療）安全許可，提供高達 12 個輸出端、智慧型風扇控制，並且可監控風扇轉速、溫度、輸出電壓與輸出電流等參數。

讀數可透過該裝置的 I²C 介面，以業界標準 PMBus™ 通訊協定取得。

iMP 系列

Artesyn 的所有 iMP 系列 AC-DC 可配置型電源供應器皆完全可編程。 機殼與個別的電源模組都具有一體式微控制器，以達到最大的控制靈活性；主機控制器與電源供應器之間的所有通訊都會使用 PMBus 協定進行處理。

圖 5：Artesyn 的 iMP 系列可配置型電源供應器。

架設 iMP 系列可配置型電源模組非常容易。 每款 iMP 系列可配置型電源供應器皆隨附控制軟體，能在標準 PC 中用 Microsoft Windows® 系統執行，並提供容易使用的圖形化使用者介面進行操作。

所有的模組與操作參數都使用相同的控制畫面。 設計人員不但能定義模組的輸出電壓與電流，還能輕鬆調整其 OVP、UVP 及 OTP 限值、變更 OCP 模式與控制訊號，甚至可在必要時強制執行風扇轉速超控。

圖 6：Artesyn Embedded Technologies 的 iMP 系列可編程電源供應器，具有擴充的數位控制功能，可配置過壓防護、過電流防護及過溫防護等參數。

iVS™ 系列

Artesyn 的 iVS™ 系列模組化 AC-DC 電源供應器支援高達 4920 W 輸出能力的高功率應用。 iVS 單元能讓使用者透過 I²C 介面，監測與控制電源供應器的許多屬性。

圖 7：Artesyn 支援高達 4920 W 應用的 iVS 系列範例。

此系列產品提供七種類型的模組，包含單輸出、雙輸出及三輸出單元，其個別功率輸出高達 1500 W。iVS 系列提供介於 2 V_DC 至 60 V_DC 的 25 種標準輸出電壓，以及多達 24 個輸出端。 透過模組並聯和／或串聯，即可達到高達 970 A 的電流及高達 500 V 的電壓。