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嵌入式系統電源設計的限制與挑戰
2009/04/02-DIGITIMES企劃  

採ARM…等嵌入式核心設計的系統,雖有低功耗優勢,但開發難度較高,開發資源與成品效能調校的空間相對有限。loongson
觀察嵌入式系統發展趨勢中,更有效率的電源配置與無風扇(Fanless Systems)設計,一直是嵌入式系統的熱門議題,尤其是Fanless Systems可將相對較不穩定的風扇元件自產品料件中排除,亦可讓硬體穩定性更能滿足應用需求…

電源系統規劃,在嵌入式系統中是相當重要的項目,尤其是多數嵌入式系統的應用場合,以一體成形、小型化、散熱不易的惡劣運作環境居多,而其應用模式,又必須應付長時間運作的數據設備、通信產品、交換機設備…等,電源的穩定表現與否,將直接影響系統運作表現。而再以通信設備的機箱環境進行觀察,除了散熱條件較差,連電源供應穩定現況也會因長時間運作,而出現穩態方面的差異,這些電源配置細節,必須透過電子電路手法解決。

就一般設計狀況而言,嵌入式電子設備必須達到低功率的系統要求,產品設計得面對低功耗要求下的性能限制,現存系統設計都以降低功耗作為1項重要性能指標,尤其是工控相關的單板電腦設計、工業電腦…等產品,多數標榜低運行功率要求,甚至是特殊應用環境的Panel PC產品,也是如此。

許多設計情況下,想要平衡性能與功耗間的關係,因這兩大部份均牽涉到產品功能規劃與零件選用,加上日趨複雜的零件配置與功能實現,都讓壓低功耗這個設計目標,變得更加困難且不容易達成,即便是系統已選用目前市場功耗最低的零組件搭配,但成品所能達到的整體功耗水準,卻仍難與跟競爭產品拉出明顯表現級距的主因。雖說嵌入式系統在壓低整體功耗的目標不易達成,但這仍是主要的開發目標,也是嵌入式系統產品持續努力的方向,即便看似困難重重,目前仍可透過適當的功率控制與創新設計方法,得到多種應用解決方案。

再觀察功耗與系統的相關影響會發現,實際應用中往往系統效能越高、功耗也就越大。一般情況下,設計時會直覺調降系統供應電壓,雖在整體硬體功耗方面可獲得到明顯改善,大幅壓低系統功耗表現數值,但此舉將產生2種較為嚴重的副作用。首先,當電子電路的工作電壓刻意降低,則系統運行速度將因此變慢;另外,若將相關因素均維持不變,則會降低電容充/放電電流、或降低負載驅動電流。再其次,系統改採較低的電壓運作,將導致輸出功率明顯降低,或是直接影響輸出信號的振幅強度,最直接的影響就是使整體系統的抗噪性變差,甚至造成信號衰減問題。

功耗問題的系統成本

仔細觀察嵌入式系統的整體設計內容,會發現當功率越大、所需的電源電壓即越高,硬體製造成本也會因此更為昂貴,此現象已涉及電源(電源線的濾波器、安全熔絲、電纜)、匯流排、PCB板上的旁路電容…等影響,致使PCB電路板的布線成本大增,而較大的電源供應器所需的置放空間也較大,其設計也可能因此無法滿足嵌入式系統小型化的設計目標,導致產品體積無法縮小,甚至無法符合特殊應用場合的安裝需求。

若今天嵌入式系統是採取以電池為供應操作電源的電子系統時, 一般情況下,電池越大則成本相對越高。系統所採用的電池尺寸、重量和成本,也取決於系統整體功率需求、及每次充電所需工作時間而定。當系統整體功率壓得越低,在電源方面所付出的成本也就越少。同時小型電源產品占用空間小,自身功率消耗較少,因此會對系統整體功耗降低的設計目標有益。

而如嵌入式系統這類小型電子系統,在熱量管理與要求不同功能的實現,並不容易做到,因為整體系統可能沒有足夠體積或驅動電力,用以置放散熱風扇這類主動冷卻元件,而部份對噪訊要求較高的通訊設備或系統中,亦無法容許冷卻元件所產生的噪音或電子噪聲。在實際狀況中,嵌入式系統設計中若有風扇或特殊散熱元件,不僅影響設備成本,也讓系統穩定性受風扇元件影響, 即便系統在關鍵晶片上加裝散熱器或導熱管,雖有助加速熱源逸散,但系統為要加速設備內空氣流通、帶出熱源所影響的設計成本,也會因此增加。

低功率電路可用的實現方案

嵌入式系統的零件選用,將左右整體運行功率高低,以IC工業為例,目前正尋求各種途徑滿足低功率系統設計需求,其中1個方法就是直接將數位元件的工作電壓,從相當常見的5v配置(TTL電路以5v供應定壓為主),透過設計途徑,讓電壓降到3.3v即可穩定運作,而多數系統設計常用的±15V電源,目前也有過IC設計改良,讓僅5V單電源供應即可穩定運作,更單純化或更低的電源配置,也讓降低系統設計整體功耗有了更好的著力點。

而這些改變,對於PCB板上的非核心元件,可以因先進的矽晶片技術,降低更多電源功耗損失。而未來數位晶片的工作電壓,因應這股低功耗設計趨勢,還可能持續壓低運作電壓需求。新的趨勢是將5v運作電壓降到2.5或1.8v,甚至還有更低的電壓規格產品。而在嵌入式系統設計中大量導入具低工作電壓的電子元件,例如,當元件工作電壓自5v降為3v時,其電源功率耗損將減少60%。但這類元件的採購成本通常略高於一般電子零件,也將使BOM料件成本因此上揚。

嵌入式系統亦可導入如筆記型電腦的智慧型電源設計。例如,在嵌入式系統運作過程中,增加若干適當條件檢測、工作預測,讓整體系統設計可因應目前工作負載特性動態調整電源規劃,例如機動調整運作項目或功能,或只在需要特定I/O時才對其線路進行電源供應,但此種設計概念,也會讓設計複雜化,造成後續產品驗證成本提高。

降低系統功耗較釜底抽薪的設計手法,是直接採較低的時鐘速率進行系統開發。由於CPU與DRAM…等系統必要元件運行頻率,直接影響運作消耗功率甚巨,因此,系統若無持續高速運行必要,改採較低的時脈速率開發系統,將使相關零組件的功耗相對降低。 其實嵌入式系統多數應用對系統時脈要求並不高,若一昧採取最高效能進行系統設計規劃,只會徒然浪費系統電能,並產生不必要的熱能,屆時為了散熱,系統又得增設浪費電力的主動散熱元件,讓功耗問題加劇。

若嵌入式系統應用場合,輸入訊號頻寬不需太高時,其實還可直接對嵌入式系統的輸入信號限制頻寬,系統可減少對高速電路的設計需求,不僅可壓低系統建構成本,亦可大幅壓低系統功耗。多數應用狀況中,I/O也是系統中少被發現的耗能關鍵,在設計中若還能針對I/O進行進階設置,例如,使I/O僅在需要工作時才消耗功率,即可減省這方面的功率損耗。但針對I/O方面的節能設計,將使I/O在不工作狀態到運行狀態轉換需較長時間,或許在需要即時反應的嵌入式系統應用,較不適合使用這類設計手法。

嵌入式系統電源常見配置

嵌入式系統電源多數採110v或220v輸入,輸出直流為-48v或+24v,屬於一次電源設備,整體設計是針對小型化主機機箱,所以構型相對比一般電腦要小許多,如此也增加電源供應器或電源模組本身的散熱條件愈加嚴苛。常見嵌入式系統電源設計,觀察其結構也有2類常見規劃,即19吋與23吋2種尺寸居多,電源本身的散熱亦有風扇強制氣冷與Fanless無風扇自體散熱兩大類。

19吋與23吋電源尺寸體積差異,主要是針對不同機箱配置所調整,雖不是業界制式要求,但在產品模組化與專業分工的趨勢下,嵌入式系統電源早已朝模組化方向發展,唯獨部份以特殊構型或是應用場合較特殊的軍規、特殊規格製品,才會有不同的設計方式。

若是Fanless無風扇系統規劃,電源、主機板的無風扇設計規劃必須全面考量,因為系統整體僅依靠散熱片進行熱源逸散,若是相對處於高熱源產生的零組件過分集中,將造成等體系統容易產生熱當機問題,在PCB電路板布線的設計就須考量整體散熱處理規劃。例如,機箱裡的電源供應器(模組)與易發熱元件間的相對位置,或是在機殼部份透過更多散熱孔隙,達到系統自主散熱的設計目標。

而PCB主機板的熱源核心,以處理器位置最為關鍵,若是ARM系列的處理器低耗能表現不俗,實際設計中多半只要簡單的鋁擠型散熱片就能處理散熱需求,如果是x86系的VIA、Intel、AMD…嵌入式應用處理器,目前嵌入式系統相當熱門的ATOM處理器,其運作功耗也要2.5W上下,Fanless System系統規劃亦具備相當大的彈性。

評估系統負載 配置最佳化輸出

嵌入式系統電源另有幾個設計方式,由於嵌入式系統本身耗電量就不高,因此電源供應器的輸出電流通常較小,較常見的出力規格為10~60A左右(機板整體功耗約40~60W),而較高電流出力的款式,是為了因應部份機櫃設備較多的應用場合,而針對單板電腦、工業用電腦…等環境,多數仍採較低電流輸出的款式搭配。

而嵌入式系統電源的設計,因應使用環境多半較為嚴苛,若是機箱設於戶外機電控制環境,電源來源供應穩定性本身條件欠佳時,電源供應器仍需具備一定程度的環境耐受能力,例如,需整合防突波、穩壓、搭配電源監控…等附加設計,設計難度較一般電源供應器複雜。

在特殊市場應用較普及的嵌入式系統應用,整合螢幕設計的KIOSK、Panel PC…等構型產品,對於機體的尺寸要求有一定限制,例如,KIOSK本身必須設置於戶外,戶外若是開放空間,設備就會遭遇風吹、日曬、雨淋,設備商為了讓硬體不至於受這些外來因素影響(如受潮、干擾、防竊),多半在外殼設計採取較保守的密封式配置,可能大量使用金屬鑄造模件保護內部主機,頂多僅讓必須對外交換資料的介面(如RFID、紅外線傳輸埠、讀卡機)外露。此種設計模式對於內部的嵌入式系統而言,反而造成散熱上的問題,散熱和機構特性都需全面考量。

電源供應器構型設計重點

在電源供應器構型部份,因應機箱設計需求,便於更換的模組化設計概念,已在設備概念的產品中實現,例如,電信機箱,就大量採模組化概念整合電源、單板電腦、週邊、功能卡,組成整體工控電腦,電源模組的扣具配置,亦必需針對模組化快速維護要求,進行最佳化整體設計構思。嵌入式系統所處理的整合應用,若是相對重要的運作控制,如生產流程控制、油/電/水資源控制…等,由於應用內容可能影響營運成本甚劇,在電源配置上更必須檢視EMI(Electromagnetic Interfrence)電磁干擾問題,避免電源端的干擾影響整體運行的穩定與準確性。

常見的電源供應器,可區分為線性式和切換式2種電源供應器,線性式電源供應器是由變壓器、整流器和電容組成,優點是電路簡單、暫態響應快、可靠度高、電磁干擾小、高穩定度、漣波小、但變壓器體積太大,且重量較重,並不適合嵌入式系統應用環境,加上轉換效率不高(約30~50%)都是其缺點。切換式電源供應器(又稱交換式電源)具轉換效率高、重量輕、空負載的耗電較小、可直流輸入…等優點,即便是電路結構較複雜,電源的漣波比較大、電磁干擾EMI較大,但仍是目前電源供應器的使用主流。

電源供應器的基本要求:
●輸入電壓範圍為90~264v之間。
●輸入頻率範圍47~63Hz。
●轉換效率需80%以上。
●Hold up time最少10ms。
●輸出漣波、雜訊在1%以下。
●輸入電壓超出額定輸出改變量須小於±1%以下。
●具過電壓、過電流保護。
●具防靜電和防雷擊保護。
●機殼漏電流須在0.75mA以下。
●EMI須符合FCC和CE標準。

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嵌入式系統嵌入式系統(embedded system)嵌入式無風扇系統(Fanless Systems)
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