電源管理：不僅僅是設計一個(gè)電源

無(wú)論電子工程師正在設計什么類(lèi)型的產(chǎn)品,電源管理已成為他們面臨最緊迫的一個(gè)挑戰,從設計電動(dòng)汽車(chē)的單個(gè)電池組以便實(shí)現最大里程數,再到最小的電池供電IoT傳感器,通過(guò)延長(cháng)電池壽命來(lái)維持工廠(chǎng)的運營(yíng)效率,這些都至關(guān)重要。電源不再僅僅是必須設計的一組靜態(tài)電源軌,如今的電源架構師必須適應快速變化的負載條件,提供無(wú)瞬態(tài)的電源軌以達到嚴格的公差,并將所有設備都盡力納入到一個(gè)空間越來(lái)越受限制的外殼中。在本技術(shù)文章中,我們將重點(diǎn)介紹電源架構師面臨的一些重要挑戰,重點(diǎn)是管理轉換器噪聲、生產(chǎn)和認證挑戰,以及進(jìn)一步縮小PCB尺寸的需求。

引言

電源架構師的作用在不斷變化。如今,有各種各樣的電源需求需要應對,不僅要考慮廣泛的可用能源,例如太陽(yáng)能、能量收集技術(shù)、電池、以太網(wǎng)供電、電感性電源、線(xiàn)路供電等,而且要考慮每個(gè)電源軌的規格。日益復雜的半導體創(chuàng )新創(chuàng )造了同樣多種多樣的功率預算需求,從能量收集型超低功率無(wú)線(xiàn)SoC器件到針對計算密集型FPGA和推理處理器的大電流、排序多電源軌。

應對瞬態(tài)和EMI

瞬態(tài)可以通過(guò)多種來(lái)源出現在電源軌上。高dv/dt開(kāi)關(guān)(例如在工業(yè)電機驅動(dòng)器中使用的方法)是造成較大瞬態(tài)的通常原因。如果不經(jīng)由被動(dòng)元件構成的濾波器抑制,這些瞬態(tài)可能會(huì )對開(kāi)關(guān)晶體管及其相關(guān)的驅動(dòng)器和電路造成永久性損害。許多電源使用諸如降壓(buck)、升壓(boost)或升降壓(buck-boost)之類(lèi)的開(kāi)關(guān)拓撲架構,將輸入電源轉換為所需的輸出電壓。盡管這種電源轉換方法很流行、高效且經(jīng)過(guò)充分驗證,但開(kāi)關(guān)過(guò)程本身會(huì )產(chǎn)生電磁干擾(EMI),并會(huì )感應到電源軌上輻射出去?？梢圆捎脗鹘y的濾波技術(shù)來(lái)處理電源軌上的開(kāi)關(guān)瞬態(tài),但是,正如我們即將討論的那樣,對于某些敏感的監控應用,瞬態(tài)仍然會(huì )干擾電路的正常運行。輻射噪聲會(huì )帶來(lái)更高的電路設計復雜性和潛在的額外成本。例如,可能需要對轉換器電路周?chē)M(jìn)行金屬或金屬箔屏蔽,從而需要額外的生產(chǎn)工藝,并使組件成本升高。許多開(kāi)關(guān)穩壓器IC具有1.5～1.8MHz的固定開(kāi)關(guān)頻率,這是AM廣播無(wú)線(xiàn)電頻段的頂部,在汽車(chē)信息娛樂(lè )系統接收器等某些應用場(chǎng)景下,可能會(huì )帶來(lái)一些麻煩。而另一種方法則是選擇不太可能引起問(wèn)題的器件開(kāi)關(guān)頻率。

這樣的一個(gè)例子是 .德州儀器(TI)TPS6281x-Q1. 。該款符合AEC-Q100標準的汽車(chē)級器件默認開(kāi)關(guān)頻率為2.25MHz,通過(guò)使用一個(gè)電阻器可以在1.8～4.0MHz范圍內進(jìn)行調節。它還可以從外部時(shí)鐘獲得開(kāi)關(guān)頻率,并且可選地使用擴頻方法工作,轉換器頻率能夠在標稱(chēng)開(kāi)關(guān)頻率之上高達288kHz的范圍內隨機變化。

即使采用了最佳的濾波技術(shù),但是來(lái)自開(kāi)關(guān)轉換器哪怕最小的干擾仍然會(huì )影響敏感的測量結果,例如在患者生命體征監護儀,或者用于測試測量目的的應用都是這樣。適用于此類(lèi)應用的一個(gè)很好器件是 德州儀器TPS62840 ,這是一款1.8～6.5V,750 mA降壓轉換器。該器件具有60nA的極低靜態(tài)電流,可通過(guò)使用STOP引腳暫時(shí)停止轉換器以消除任何開(kāi)關(guān)噪聲。轉換器輸出端的保持電容器用于為具體應用供電,因而它能夠繼續工作而不受任何噪聲的影響(請參見(jiàn)圖1)。該技術(shù)不僅可用于實(shí)現靈敏的測量功能,而且可以在無(wú)線(xiàn)鏈路條件為邊際(marginal)時(shí)改善信噪比。

圖1:德州儀器TPS62840降壓轉換器的STOP功能說(shuō)明。(來(lái)源:德州儀器)

縮小設計體積

能夠容納電子產(chǎn)品系統的可用空間正在不斷縮小,無(wú)論對于工業(yè)自動(dòng)化設備,還是小巧的消費類(lèi)電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō),情況都是如此。工廠(chǎng)車(chē)間的占地面積非常寶貴,通常用于特定生產(chǎn)任務(wù)的所有控制設備都需要被壓縮到單個(gè)控制柜中。許多電源設計師和工程團隊都在考慮使用基于模塊的方法來(lái)配置電源。電子行業(yè)對于分立器件方案與模塊化方案并不陌生,當然電源管理也不例外。除了實(shí)現更高程度的功能集成外,模塊還具有縮短產(chǎn)品上市時(shí)間的優(yōu)勢,并消除了工程團隊內部對越來(lái)越專(zhuān)業(yè)電源設計人員的需求以及所帶來(lái)的障礙。例如,DC-DC轉換器長(cháng)期以來(lái)一直是符合業(yè)界標準尺寸的密集封裝器件,電源模塊設計工程師不僅擅長(cháng)于將開(kāi)關(guān)控制器IC集成到緊湊型模塊中,而且還集成了許多相關(guān)組件,并在組件BOM成本和散熱特性等方面都進(jìn)行了優(yōu)化。德州儀器通過(guò)在設計中將更大的元件之一(電感器)集成到模塊,從而使這一概念更進(jìn)一步。 TPSM82822 模塊的尺寸僅為2.0 x 2.5 x 1.1 mm,并采用行業(yè)標準的10引腳MicroSIP封裝格式構建,這些同步脈寬調制(PWM)模式降壓轉換器可提供1A和2A版本,具有省電模式以提高輕載效率,典型靜態(tài)電流可低至4μA。該模塊可容許2.4～5.5VDC的輸入電壓,并提供0.6～4VDC的可調輸出電壓,運行效率通常高達95%。

為了幫助基于TPSM82822的原型設計,現在可提供一個(gè)評估板 TPSM82822EVM ,見(jiàn)圖2。

圖2:德州儀器TPSM82822EVM評估板,用于帶有集成電感器的高效降壓轉換器模塊TPSM82822。(來(lái)源:德州儀器)

生產(chǎn)測試和檢驗中的挑戰

許多常規開(kāi)關(guān)轉換器IC均采用行業(yè)標準QFN封裝制造,盡管這是一種長(cháng)期使用的便捷格式,但它并不適合汽車(chē)行業(yè)在組裝過(guò)程中要求的外觀(guān)檢查技術(shù),參見(jiàn)圖3。從圖中左側、頂部和底部可以看出,標準QFN封裝上的焊點(diǎn)往往位于器件下方PCB,不可見(jiàn)。從側面只可以直接看到少量焊料,這對外觀(guān)檢查測試構成了挑戰。下方組件是否已完全焊接或是否存在虛焊點(diǎn)(dry joints)?為了解決這種不確定性,德州儀器開(kāi)發(fā)了一種增強型QFN封裝,其中結合了從封裝側面雕刻的電鍍腔,從而增加了可以目測檢查的接頭面積。這些“可粘錫側面”(請參見(jiàn)右圖3)能夠提供一個(gè)更大,更易于觀(guān)察的焊點(diǎn),從而消除了有關(guān)器件是否已完全可靠地焊接到PCB的疑問(wèn)。

圖3: 德州儀器 TPS62810汽車(chē)級降壓轉換器 上的可粘錫側面。 (來(lái)源:德州儀器)

滿(mǎn)足安全電源設計認證要求

隨著(zhù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用和其他工廠(chǎng)自動(dòng)化計劃的部署,電子系統越來(lái)越多地用于工業(yè)和商業(yè)設備。由于某些工作環(huán)境可能包含危險或爆炸性的液體或氣體,其中的設備需要符合強制的安全標準。對于電源工程師而言,這是一項技術(shù)挑戰,因為電源轉換過(guò)程通常會(huì )產(chǎn)生一定程度的熱量,并且根據具體應用情況,電壓可能在組件之間產(chǎn)生電弧,在故障條件下組件可能產(chǎn)生爆炸。

ATEX directive可最大程度地減少或消除危險環(huán)境中起火的風(fēng)險。針對任何給定的氣體、蒸氣或薄霧的危險,可以根據三種不同的區域進(jìn)行分類(lèi),在電源IC的環(huán)境下,可能的起火源被認為是電火花和高表面溫度。例如,對于智能燃氣表,根據包裝尺寸的不同,允許的最高溫度為244℃或275℃。設計采用間距較大且帶引線(xiàn)的轉換器IC,即使在潮濕環(huán)境中,也有助于降低電應力和產(chǎn)生火花的可能性。另一個(gè)要求是,可以選擇高效散熱的封裝形式,從而避免設備達到最高允許溫度。德州儀器的TPS62840采用高導熱性能的HVSSOP-8封裝,尺寸為3 x 5 mm。它使用粘合到IC基板的銅板,能夠消散主體IC的所有熱量,因此不會(huì )超過(guò)最高溫度。

結論

電源管理是一個(gè)日新月異的領(lǐng)域,而功率是每個(gè)設計的核心,電源的配置以不影響具體應用的性能為最重要目標。在本文中,我們討論了電源架構師和嵌入式系統設計工程師面臨的一些挑戰。

您可以在 這里 查閱有關(guān)德州儀器系列電源轉換IC的更多信息。