如何利用精准权衡来实现最佳设计

工程设计中，除了所期望的专业技能外，主要是在不可避免的约束条件下进行适当权衡，并决定给每个好的或差的属性分配多少权重和优先级，以便实现这些权衡。权衡时，既需要定量分析，又需要准确的判断和经验。需要考虑的事项有很多，涵盖了许多性能维度，如功率、尺寸、重量、可靠性、部件可用性、BOM成本、以及装配成本等，所有这些，可能往往还只是众多问题中的一小部分。

即使是一个乍看起来很简单的决策，其实也有需要权衡的地方。比如考虑下面这么一个简单案例，即图1中所示的用作负载电流传感的电阻器阻值选取问题。

图1：在概念上，即使是利用电阻器两端的电压降来实现电流测量这个简单问题，也需要在各种技术选项之间进行权衡。来源：ADI

选用阻值较大的电阻器时，在给定电流条件下，通过电阻器的电流所引起的IR压降，能够提供更高的测量电压，但该压降也降低了负载可用的轨电压。另外，还存在功耗上的浪费，从而需要一个物理尺寸更大或散热性能更好的电阻器来处理电阻器产生的这些热量。相反，电阻器阻值较小时，轨电压降低较小，且降低了耗散损耗，但所提供的测量电压降却较小，从而使得测量结果比较容易遭到噪声干扰。由此可见，看似非常简单的设计，也还是需要仔细的折衷和权衡的！

要想深入学习如何权衡，除了在实践中摸索和积累外，从好的应用笔记或博客记录中也能学到不少。实际上，这类应用笔记/博客能够提供许多相关的内容。

通常会包括如下几种聚焦工程应用的内容类型：

第一类

有一些人，只是简单地假设将特定的组件或方法作为问题的解决方案，并吹嘘其优点。这类建议往往缺乏背景，这些人总是假想地认为，他们所提出的建议没有缺点，也没有其他替代方案。实际中我发现这类内容的价值最小，往往是因为追求最简短，从而完全省去了更广泛的背景。不过尽管如此，也往往还是会包含一些有用信息。

第二类

还有一些人，则是超越了简单的讨论，解释了如何在使用特定组件或组件类别（例如，电流反馈运算放大器）时获得最佳效果，但也承认其建议在某些情况下可能会有局限性。当工程师不十分确定要选择哪种解决方案时，这些内容是很有价值的，它们将有助于最大限度地减少在评估时可以避免的错误和困难。

第三类

最后是这么一些人，侧重于通过阐明每种方法的优缺点，来讨论和解释几种方法之间可以进行的折衷权衡。它们还显示了各种性能属性的相对权重，并且阐释了如何随着设计容量和功能的增减而变化。

对于这三种类型，我发现最后一种是最令人满意的，因为他们提供的经验，可以让工程师对问题有更深入和更具远见的理解。此外，如果问题分析得透彻，这些内容也将能够帮助其他工程师，在未来的其他项目中做出更好决策。

对于这一种，有一个很好的实例，就是TI公司的Harald Parzhuber最近发表的博客：“用于集成太阳能和储能系统的5种变换器拓扑”（可免费读取，但可能需要注册）。该博客首先概述了住宅太阳能系统可能需要的各种电源变换器，其中的每种变换器都会产生不同的直流电压和电流，如图2所示。

图2：用于住宅能源发电的典型太阳能变换器系统。所安装的相应存储系统表明，对应房子的不同功能，就需要不同的系统单元。资料来源：TI

正如标题所言，它不是关于任何单个拓扑，而是着眼于讨论五种拓扑，分析研究各个拓扑的复杂性、电压、性能和其他各方面的属性。这篇简短而有趣的博客/应用笔记，从一个漂亮的汇总表/图形开始，对半桥和分支等效的电源拓扑进行了图示并分类，然后从实质性的细节入手，对每一种拓扑都进行了深入研究，如图3所示。

图3：半桥和分支等效拓扑的简化电源拓扑。资料来源：TI

接下来的一张图表，列出了每种拓扑的优点和挑战（实际在工程上，挑战这个词是“困难”的委婉叫法）。

在阅读了这篇文章之后，我对该应用的变换器选项及其相关的技术成本/效益权衡有了一些有益的见解。除其他方面外，它清楚地表明，用更少的组件进行更简单的设计是可行的。然而，简单设计可能或多或少地都存在一些固有缺点，如果这些缺点是不可接受的话（实际上是否不可接受也可能不一定），则通过添加额外的组件或采用稍微不同的拓扑，就可以克服。这是一个经典的工程权衡和两难问题：选择简单（这通常是一件好事），就意味着必须接受稍差的性能，要么就得通过选择增加复杂性来获得某种程度的性能改善。那么，“越简单越好”的工程规则，究竟应该在多大程度上适用？

这个博客是一个很好的、简短的经验和指南，详细说明了对这些问题的见解。如果我今后还在这个领域从事设计工作的话，就会更好地深入了解各种选项并学会权衡，这对任何一个项目来说，都是一个良好的工程开端。

(参考原文：Home solar-supply topologies illustrate tradeoff realities）

本文为《电子工程专辑》2023年7月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅