《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電源管理:不僅僅是設(shè)計一個電源

2020-06-03
來源:與非網(wǎng)
關(guān)鍵詞: 電源管理 德州儀器 EMI PCB

無論電子工程師正在設(shè)計什么類型的產(chǎn)品,,電源管理已成為他們面臨最緊迫的一個挑戰(zhàn),,從設(shè)計電動汽車的單個電池組以便實(shí)現(xiàn)最大里程數(shù),,再到最小的電池供電 IoT 傳感器,,通過延長電池壽命來維持工廠的運(yùn)營效率,,這些都至關(guān)重要,。電源不再僅僅是必須設(shè)計的一組靜態(tài)電源軌,,如今的電源架構(gòu)師必須適應(yīng)快速變化的負(fù)載條件,,提供無瞬態(tài)的電源軌以達(dá)到嚴(yán)格的公差,,并將所有設(shè)備都盡力納入到一個空間越來越受限制的外殼中。在本技術(shù)文章中,,我們將重點(diǎn)介紹電源架構(gòu)師面臨的一些重要挑戰(zhàn),,重點(diǎn)是管理轉(zhuǎn)換器噪聲、生產(chǎn)和認(rèn)證挑戰(zhàn),,以及進(jìn)一步縮小 PCB 尺寸的需求,。

 

引言

電源架構(gòu)師的作用在不斷變化。如今,,有各種各樣的電源需求需要應(yīng)對,,不僅要考慮廣泛的可用能源,例如太陽能,、能量收集技術(shù),、電池、以太網(wǎng)供電,、電感性電源,、線路供電等,而且要考慮每個電源軌的規(guī)格,。日益復(fù)雜的半導(dǎo)體創(chuàng)新創(chuàng)造了同樣多種多樣的功率預(yù)算需求,,從能量收集型超低功率無線 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(yīng)對瞬態(tài)和 EMI

瞬態(tài)可以通過多種來源出現(xiàn)在電源軌上,。高 dv/dt 開關(guān)(例如在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器中使用的方法)是造成較大瞬態(tài)的通常原因。如果不經(jīng)由被動元件構(gòu)成的濾波器抑制,,這些瞬態(tài)可能會對開關(guān)晶體管及其相關(guān)的驅(qū)動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)之類的開關(guān)拓?fù)浼軜?gòu),,將輸入電源轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。盡管這種電源轉(zhuǎn)換方法很流行,、高效且經(jīng)過充分驗(yàn)證,但開關(guān)過程本身會產(chǎn)生電磁干擾(EMI),,并會感應(yīng)到電源軌上輻射出去,。可以采用傳統(tǒng)的濾波技術(shù)來處理電源軌上的開關(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(jiān)控應(yīng)用,,瞬態(tài)仍然會干擾電路的正常運(yùn)行。輻射噪聲會帶來更高的電路設(shè)計復(fù)雜性和潛在的額外成本,。例如,,可能需要對轉(zhuǎn)換器電路周圍進(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,。許多開關(guān)穩(wěn)壓器 IC 具有 1.5~1.8MHz 的固定開關(guān)頻率,這是 AM 廣播無線電頻段的頂部,,在汽車信息娛樂系統(tǒng)接收器等某些應(yīng)用場景下,,可能會帶來一些麻煩。而另一種方法則是選擇不太可能引起問題的器件開關(guān)頻率,。

 

這樣的一個例子是 . 德州儀器(TI)TPS6281x-Q1.。該款符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的汽車級器件默認(rèn)開關(guān)頻率為 2.25MHz,,通過使用一個電阻器可以在 1.8~4.0MHz 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié),。它還可以從外部時鐘獲得開關(guān)頻率,,并且可選地使用擴(kuò)頻方法工作,,轉(zhuǎn)換器頻率能夠在標(biāo)稱開關(guān)頻率之上高達(dá) 288kHz 的范圍內(nèi)隨機(jī)變化。

 

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

 

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圖 1:德州儀器 TPS62840 降壓轉(zhuǎn)換器的 STOP 功能說明。(來源:德州儀器)

 

縮小設(shè)計體積

能夠容納電子產(chǎn)品系統(tǒng)的可用空間正在不斷縮小,,無論對于工業(yè)自動化設(shè)備,,還是小巧的消費(fèi)類電子產(chǎn)品來說,情況都是如此,。工廠車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(shè)備都需要被壓縮到單個控制柜中。許多電源設(shè)計師和工程團(tuán)隊(duì)都在考慮使用基于模塊的方法來配置電源,。電子行業(yè)對于分立器件方案與模塊化方案并不陌生,,當(dāng)然電源管理也不例外。除了實(shí)現(xiàn)更高程度的功能集成外,,模塊還具有縮短產(chǎn)品上市時間的優(yōu)勢,,并消除了工程團(tuán)隊(duì)內(nèi)部對越來越專業(yè)電源設(shè)計人員的需求以及所帶來的障礙。例如,,DC-DC 轉(zhuǎn)換器長期以來一直是符合業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)尺寸的密集封裝器件,,電源模塊設(shè)計工程師不僅擅長于將開關(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,。德州儀器通過在設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的 10 引腳 MicroSIP 封裝格式構(gòu)建,這些同步脈寬調(diào)制(PWM)模式降壓轉(zhuǎn)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(diào)輸出電壓,,運(yùn)行效率通常高達(dá) 95%。


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