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)快速變化的負載條件,，提供無瞬態(tài)的電源軌以達到嚴格的公差，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,，我們將重點介紹電源架構(gòu)師面臨的一些重要挑戰(zhàn)，重點是管理轉(zhuǎn)換器噪聲,、生產(chǎn)和認證挑戰(zhàn),，以及進一步縮小 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)拓撲架構(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?？梢圆捎脗鹘y(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 標準的汽車級器件默認開關(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,，并且可選地使用擴頻方法工作,，轉(zhuǎn)換器頻率能夠在標稱開關(guān)頻率之上高達 288kHz 的范圍內(nèi)隨機變化。
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,。
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)計師和工程團隊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,，當然電源管理也不例外。除了實現(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,，并消除了工程團隊內(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)界標準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(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,，運行效率通常高達 95％,。