物聯(lián)網(wǎng)系統需要高集成度和小尺寸功率轉換器件

作者 / Tony Armstrong ADI公司 Power by Linear部門(mén)

　　Tony Armstrong，營(yíng)銷(xiāo)總監，負責電源轉換和管理產(chǎn)品方面從概念到停產(chǎn)的所有事情。

摘要：隨著(zhù)支持眾多物聯(lián)網(wǎng)器件的無(wú)線(xiàn)傳感器的激增，業(yè)界對器件的小型、緊湊、高效功率轉換器的需求在不斷增加。

　　在功率譜的中低端存在一些不太大的功率轉換要求，這在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備之類(lèi)的應用中很常見(jiàn)。這些應用需要使用能夠處理適度電流水平的功率轉換IC。電流通常在數百毫安范圍，但如果板載功率放大器為了傳輸數據或視頻而存在峰值功率需求，那么電流量可能更高。因此，隨著(zhù)支持眾多物聯(lián)網(wǎng)器件的無(wú)線(xiàn)傳感器的激增，業(yè)界對專(zhuān)門(mén)用于空間和散熱受限器件的小型、緊湊、高效功率轉換器的需求在不斷增加。

　　然而，與其他很多應用不同，許多工業(yè)和醫療產(chǎn)品對可靠性、尺寸和穩健性通常有著(zhù)更高的標準。正如大家所料，相當部分的設計負擔落在了功率系統及其相關(guān)支持器件上。工業(yè)甚至醫療物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品必須正常運行并在多個(gè)電源(如交流電源插座和備用電池)之間無(wú)縫切換。此外，必須竭盡全力防止故障，同時(shí)在由電池供電時(shí)須最大程度延長(cháng)工作時(shí)間，以確保無(wú)論存在什么電源，系統都能可靠地正常工作。因此，這些系統內部使用的功率轉換架構必須魯棒、緊湊且散熱需求極低。

1 電源設計的考慮

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統設計人員在集成無(wú)線(xiàn)傳輸功能的系統中使用線(xiàn)性穩壓器并不罕見(jiàn)。主要原因是其EMI和噪聲極低。盡管如此，雖然開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)生的噪聲高于線(xiàn)性穩壓器，但前者的效率要優(yōu)越得多。已經(jīng)證明，如果開(kāi)關(guān)穩壓器的行為可預測，那么許多敏感應用中的噪聲和EMI水平是可管理的。如果開(kāi)關(guān)穩壓器在正常模式下以恒定頻率開(kāi)關(guān)，并且開(kāi)關(guān)邊沿干凈、可預測且沒(méi)有過(guò)沖或高頻振鈴，那么EMI將極小。此外，小封裝尺寸和高工作頻率可以提供小而緊湊的布局，從而最大限度地降低EMI輻射。而且，如果穩壓器可以與低ESR陶瓷型電容一起使用，則輸入和輸出電壓紋波(這是系統中的額外噪聲源)可以最小化。

　　當今工業(yè)和醫療物聯(lián)網(wǎng)設備的主輸入電源通常是來(lái)自外部AC-DC適配器和/或電池組的24 V或12 V直流電源。然后，此電壓通過(guò)同步降壓轉換器進(jìn)一步降低到5 V和/或3.x V電壓軌。盡管如此，經(jīng)過(guò)這些醫療物聯(lián)網(wǎng)設備內部調節后的供電軌數量卻在增加，而工作電壓持續降低。因此，其中許多系統仍然需要3.x V、2.x V或1.x V電壓軌，用于為低功耗傳感器、存儲器、微控制器內核、輸入/輸出和邏輯電路供電。然而，用于數據傳輸的內部功率放大器可能需要最高0.8 A電流能力的12 V電壓軌，以將任何記錄的數據傳輸到遠程集中式集線(xiàn)器。

　　傳統上，該12 V電壓軌由升壓開(kāi)關(guān)穩壓器提供，需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)關(guān)模式電源設計知識和技能，并且占用印刷電路板(PCB)上相當大的面積。

2 新型緊湊式升壓轉換器

　　ADI公司的μModule?(微型模塊)產(chǎn)品是完整的系統化封裝(SiP)解決方案，可最大限度地縮短設計時(shí)間，解決工業(yè)和醫療系統中常見(jiàn)的電路板空間和密度問(wèn)題。這些μModule產(chǎn)品是完整的電源管理解決方案，在緊湊型表貼BGA或LGA封裝內集成DC-DC控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容、補償組件和電感。利用ADI公司μModule產(chǎn)品進(jìn)行設計可以將完成設計過(guò)程所需的時(shí)間減少多達50%，具體取決于設計的復雜程度。μModule系列將元件選型、優(yōu)化和布局等設計負擔從設計人員轉移到器件上，可縮短整體設計時(shí)間，減少系統故障，最終加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　此外，ADI公司的μModule解決方案將分立式電源、信號鏈和隔離設計中常用的關(guān)鍵元件集成在緊湊的IC式外形尺寸中。在A(yíng)DI公司嚴格的測試和高可靠性流程的支持下，μModule產(chǎn)品系列簡(jiǎn)化了功率轉換的設計和布局。

　　μModule系列產(chǎn)品涵蓋了廣泛的應用，包括終端負載穩壓器、電池充電器、LED驅動(dòng)器、電源系統管理(PMBus數字管理電源)和隔離式轉換器。作為高集成度解決方案且每個(gè)器件都提供PCB Gerber文件，μModule電源產(chǎn)品可在滿(mǎn)足時(shí)間和空間限制的同時(shí)提供高效率、高可靠性，某些產(chǎn)品還提供符合EN 55022 B類(lèi)標準的低EMI解決方案。

　　隨著(zhù)設計資源因為系統復雜性的提高和設計周期的縮短而變得緊張，關(guān)注重點(diǎn)落在了系統關(guān)鍵知識產(chǎn)權的開(kāi)發(fā)上。這常常意味著(zhù)電源受到忽視，直到開(kāi)發(fā)周期的后期才予以解決。由于時(shí)間很短，而且專(zhuān)業(yè)電源設計資源可能有限，因此需要開(kāi)發(fā)出尺寸盡可能小的高效率解決方案，同時(shí)可能要對PCB的反面加以運用，使空間利用率最大化。

　　μModule穩壓器為此提供了理想的答案。此概念內部復雜，但外部簡(jiǎn)單——既有開(kāi)關(guān)穩壓器的效率，又有線(xiàn)性穩壓器的易設計性。認真負責的設計、PCB布局和元件選擇對于開(kāi)關(guān)穩壓器設計非常重要，很多經(jīng)驗豐富的設計人員在職業(yè)生涯的早期聞到了電路板燃燒的獨特香味。當時(shí)間短或電源設計經(jīng)驗不足時(shí)，現成的μModule穩壓器可節省時(shí)間并降低風(fēng)險。

　　ADI公司μModule系列最近的一個(gè)實(shí)例是LTM4661同步升壓μModule穩壓器，其采用6.25 mm×6.25 mm×2.42 mm BGA封裝。封裝中包含開(kāi)關(guān)控制器、功率FET、電感和所有支持元件。在1.8 V至5.5 V的輸入范圍內工作時(shí)，它可以提供2.5 V至15 V的穩壓輸出，輸出電壓通過(guò)單個(gè)外部電阻設置。只需要一個(gè)輸入和輸出體電容。

　　LTM4661效率很高，從3.3 V輸入升壓至12 V輸出時(shí)，效率高于87%。效率曲線(xiàn)參見(jiàn)圖2。

　　圖3顯示了LTM4661的實(shí)測熱圖像：3.3 V輸入，12 V、800 mA直流輸出，200 LFM氣流，無(wú)散熱器。

3 結論

　　近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)設備的部署爆炸式增長(cháng)，其中包括各種用于軍事和工業(yè)應用領(lǐng)域的產(chǎn)品。新一波產(chǎn)品，包括裝有傳感器的醫療和科學(xué)儀器，一直是近年來(lái)市場(chǎng)的重要推動(dòng)因素，現已開(kāi)始出現顯著(zhù)增長(cháng)的跡象。與此同時(shí)，這些系統的空間和熱設計限制催生了一類(lèi)新型功率轉換器，要求其實(shí)現小尺寸、緊湊且熱效率高的必要性能指標，以為諸如功率放大器等內部電路供電。幸運的是，最近發(fā)布的LTM4661升壓型μModule穩壓器之類(lèi)的器件簡(jiǎn)化了電源設計人員的工作。

　　最后，在此類(lèi)應用中使用μModule穩壓器是很有意義的，因為它能顯著(zhù)縮短調試時(shí)間并提高電路板面積利用率。由此將能降低基礎設施成本，以及產(chǎn)品生命周期的總擁有成本。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第18頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。