電路設計專欄 — 電源管理
「 直流電源管理 (DC/DC Power Management) 影片」。聯結【 https://www.youtube.com/watch?v=dmNyq9RZuR0】。
電源管理範疇 (理論、流程、電子系統階程)
電源設計管理的範疇包含三個主軸：「電源設計理論、產品開發流程、電子系統階層」。
一.) 電源設計理論：
1.) Structure：
- 線性式 (Linear)：包含NPN達零頓、PNP LDO、Quasi-LDO、PMOS LDO、NMOS LDO
- 切換式 (Switch)：可再分為非隔離式與隔離式
- 非隔離式：Step Down (Buck) 降壓式、Step Up (Boost) 升壓式…
- 隔離式：像Flyback、Forward…..
2.) 電路設計可兩大區塊及對應參數：
- Power Stage：Ripple Voltage、Transient Voltage、Efficiency、EMI等，此部份的參數跟整個PCBA主要IC的電源規範有關。
- Control System：Bandwidth、Phase Margin、Gain Margin，此部份的參數跟電源穩定有關。
二.) 產品開發流程 (NPI, New Product Introduction) 對應電源管理
1.) IBP (Initial Business Plan) 初始業務規劃：
- 產品規格書決定了主 IC，整體 PCBA 主 IC 就決定 Power Stage 的要求。
- Power Estimation：PCBA主 IC 電壓、電流資訊做功率消耗預估。
- Power On Sequence：主 IC 有不同的電壓啟動的順序，及時間差。
- Power Tree：以樹狀圖呈現架構的選擇，還有電壓啟動的先後順序。
2.) EVT (Engineering Verification Test ) 工程驗證測試：
- DC/DC 電路設計及選料：依照電路動作原理、輸出參數、零件特性…等，做電路設計及選料。
- DC/DC Layout：依照主電流路徑、驅動路徑、敏感路徑、設定路徑去做零件擺放及鋪銅走線的規劃。
- DC/DC 電氣特性量測： Power Stage 及 Control System的參數驗證，需要滿足主IC的電源規範。
- DC/DC 效率/消耗功率量測：效率與同步非同步的架構及週邊零件選料有關。
- DC/DC 溫度量測與壽命：不同的零件架構、材料，其計算壽命的方法不一樣。例如液態電容與固態電容的計算公式就不一樣。
- 4-Corner (調電壓) ：透過Chamber設定環境溫度高低溫、及電源電路分壓電阻設定電壓上下限，造成四種較嚴苛的狀態去觀察整體產品功能是否穩定。
3.) DVT (Design Verification Test ) 工程驗證測試：
- DC/DC EMI：控制 Power MOS 驅動能力，抑制 Spike，是管理電源 EMI 的源頭之一。
- Thermal Cycle：測試 ｢高低溫下操作、高低溫開機｣ 是否正常。
- Dynamic Test：振動、摔落測試等。常見有些大顆的電解電容以導針彎90度，整個零件平躺在 PCBA 上，且透過點膠固定。
4.) MP (Mass Production) 量產：
- SMT 熱衝擊：注意 SMD 液態電解電容經過 SMT 的 IR Reflow，鋁殼鼓起問題。
- PCBA分板的機械應力：注意 MLCC Crack Layout Guide
5.) EOL (End Of Life) 產品銷售生命周期終止
- 電路選料要符合零件趨勢，要避免使用淘汰規格或者EOL規格。
三.) 電子系統階層對應電源管理
可分成六個Level，從Level 0 ~ Level 5。
- Level 0：零件材料階層。不同的零件材料，將有不同的電氣特性表現。
- Level 1：零件單體階層。零件的材料、結構、製造方式決定了零件的特性。
- Level 2：印刷電路板組裝階層。同時包含不同的電源架構，須滿足主 IC 的電源規範。
- Level 3：Main Board + Module (或者有時候稱為Daughter Board)。
- Level 4：單體電子產品。
- Level 5：數個電子產品連接。
四) 結論
學習任何技術課程，建議最後要能跟產品開發流程及產品的電子系統階層結合。當具備技術理論基礎後，才會知道產品開發流程有哪些的活動必須要做，該如何做，以確保每個電子系統階層都能滿足產品規格書。有哪些活動要做，這就是ISO文件的範疇，再將怎麼做，說出來寫出來，並且系統標準化，才能建構有效的 ISO 體制，才能創造總體的競爭優勢。