電源系統設計：非完全“即插即用”

作者: TI電池管理解決方案產(chǎn)品部高級應用工程師 UpalSengupta

許多年前，我們就已經(jīng)開(kāi)始使用“即插即用”一詞來(lái)描繪一些易于使用的事物了。與過(guò)去相比，如今許多復雜設備在設置、配置和啟用等方面都要比以往便捷得多。

今天，客戶(hù)希望產(chǎn)品可以“開(kāi)盒即用”。這樣的期望與過(guò)去相比或多或少得到了合理滿(mǎn)足。然而，這種外在的簡(jiǎn)單性卻稍含欺騙成分。作為工程師，我們必須花更多心思簡(jiǎn)化產(chǎn)品的外在使用，盡管其內部可能相當復雜。

按照這種趨勢，IC 組件供應商已經(jīng)在努力簡(jiǎn)化其部件，充分滿(mǎn)足系統設計人員的使用需求。與不久的過(guò)去相比，大多數 IC 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)都提供詳細的設計方程式、外部組件選擇指南，乃至建議性 PCB 布局圖，可幫助將給定 IC 整合于系統級設計。幾乎所有編錄中的 IC 都提供有評估套件，以幫助系統設計人員在開(kāi)展自己的 PCB 構建之前詳細了解所需知識。

可惜的是，有時(shí)候系統設計工程師會(huì )有誤解，認為他們在自己的設備設計中使用的 IC 組件也是“即插即用”的。這很容易推測，只要按照 IC 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的應用圖“連接各點(diǎn)”，就不需要再對設計做任何額外的分析或驗證。而現代 IC 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中提供的指南和建議雖然可能會(huì )簡(jiǎn)化系統設計，但卻并不能完全消除需要由產(chǎn)品設計工程師完成的工作。

為電池供電設備設計電源系統包括兩大塊。首先，我們必須選擇適當類(lèi)型的電池技術(shù)及電池組設計。其次，我們必須開(kāi)發(fā)電子電路，為電池組充電并將未經(jīng)調整的電池“原始”電壓轉換為穩壓輸出軌，充分滿(mǎn)足實(shí)際系統電子產(chǎn)品的工作需求。之前，我們曾經(jīng)談?wù)撨^(guò)在第一步選擇適當類(lèi)型電池技術(shù)的重要性。一旦完成這一步，“真正的工作”就開(kāi)始了。

常見(jiàn)的疏忽是缺乏散熱分析。對極低功耗電池供電設備而言，尤為如此，我們很容易認為其功率水平不足以讓人擔心熱管理問(wèn)題。但需要記住的是，這類(lèi)手持系統的功率密度實(shí)際上是相當高的。

表 1：便攜式消費類(lèi)產(chǎn)品的典型近似功率密度

從表 1 中可以看出，即使是絕對低功耗的器件也需要精心設計，從而要時(shí)刻牢記熱管理。記住，我們需要將這樣的低功耗塞入非常微小的空間里。對于超級本、筆記本以及計算機等高功率設備而言，熱耗散是顯而易見(jiàn)的。實(shí)際上，此類(lèi)設備觸感暖和。對于內部耗散僅數毫瓦的更低功耗設備而言，最終用戶(hù)不會(huì )感覺(jué)設備外殼逐漸變熱。但是，如果這種低功耗電路中的耗散集中在設備內部的一個(gè)小“熱點(diǎn)”上，設備的可靠性或實(shí)用性就會(huì )令人堪憂(yōu)。這在半導體組件工作接近或者高于推薦的熱限時(shí)尤為明顯。

過(guò)去，由于半導體器件封裝尺寸大，在必要時(shí)還提供支持外部“螺栓固定”散熱片的選項，所以我們可能不會(huì )過(guò)多地去考慮耗散僅為數毫瓦的電路。但是，對于高密度便攜式產(chǎn)品，尤其是那些沒(méi)有內部制冷風(fēng)扇的便攜式產(chǎn)品而言，唯一實(shí)用的散熱方式就是在 PCB 上使用一層銅。

銅面層一般位于組件 PCB 的另一面。因此散熱通孔需要將安裝在 IC 表面的散熱焊盤(pán)連接至散熱面板。圖 1 說(shuō)明了熱通孔怎么能夠用來(lái)將 IC 上的熱散去。大部分熱量通過(guò)熱傳導方式擴散，因此我們希望最大限度地減少從 IC 散熱焊盤(pán)到 PCB 另一面銅層路徑中的熱阻抗。這可通過(guò)并行布局連接至 IC 的多個(gè)散熱通孔將熱導離封裝來(lái)實(shí)現。

圖 1：表面安裝 PCB 的熱傳導路徑

為 PCB 設計執行全面、精確的散熱仿真可能是一個(gè)復雜的過(guò)程，需要高級熱分析軟件，往往會(huì )超出許多項目的范圍和預算。但根據 IC 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中提供的方程式及布局指南，系統設計人員通?？色@得使其電源設計“一次性通過(guò)”的良機。此外，系統 PCB 上提供的熱通孔、銅跡線(xiàn)和銅面層的有效熱阻抗計算也相當簡(jiǎn)單。系統設計人員可根據下列參考文獻中詳細描述的技術(shù)，更加信心百倍地為電源轉換電路處理電路板布局。

參考文獻

1. 《構建自己的電源：布局注意事項》，作者：Robert Kollman，德州儀器，2005 年；
2. 《表面安裝布局的散熱注意事項》，作者：Charles Mauney，德州儀器，2006 年；
3. 《AN-2020：散熱設計：寧愿深入了解，也不做“事后諸葛亮”》，作者：Marc Davis-Marsh，應用報告(SNVA419B)，德州儀器，2011 年 6 月。

UpalSengupta 是 TI 電池管理解決方案產(chǎn)品部的高級應用工程師，自從 2003 年加入 TI 以來(lái)，從事過(guò)應用工程師與技術(shù)市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)方面的工作，為便攜式電源與電池管理提供支持。在加入 TI 前，Upal 曾效力于多家開(kāi)發(fā)移動(dòng)電話(huà)、便攜式計算機與消費類(lèi)產(chǎn)品的 OEM 廠(chǎng)商，擔任系統設計工程師。Upal 先后畢業(yè)于伊利諾伊大學(xué) (the University of Illinois) 與密歇根州立大學(xué) (Michigan State University)，分別獲電氣工程學(xué)士學(xué)位與電氣工程碩士學(xué)位。