電源管理：不僅僅是設計一個電源

無論電子工程師正在設計什么類型的產品,電源管理已成為他們面臨最緊迫的一個挑戰(zhàn),從設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空間越來越受限制的外殼中。在本技術文章中,我們將重點介紹電源架構師面臨的一些重要挑戰(zhàn),重點是管理轉換器噪聲、生產和認證挑戰(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,例如太陽能、能量收集技術、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(例如在工業(yè)電機驅動器中使用的方法)是造成較大瞬態(tài)的通常原因。如果不經由被動元件構成的濾波器抑制,這些瞬態(tài)可能會對開關晶體管及其相關的驅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、高效且經過充分驗證,但開關過程本身會產生電磁干擾(EMI),并會感應到電源軌上輻射出去?？梢圆捎脗鹘y(tǒng)的濾波技術來處理電源軌上的開關瞬態(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圍進行金屬或金屬箔屏蔽,從而需要額外的生產工藝,并使組件成本升高。許多開關穩(wěn)壓器IC具有1.5～1.8MHz的固定開關頻率,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頻率為2.25MHz,通過使用一個電阻器可以在1.8～4.0MHz范圍內進行調節(jié)。它還可以從外部時鐘獲得開關頻率,并且可選地使用擴頻方法工作,轉換器頻率能夠在標稱開關頻率之上高達288kHz的范圍內隨機變化。

即使采用了最佳的濾波技術,但是來自開關轉換器哪怕最小的干擾仍然會影響敏感的測量結果,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用都是這樣。適用于此類應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引腳暫時停止轉換器以消除任何開關噪聲。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(xù)工作而不受任何噪聲的影響(請參見圖1)。該技術不僅可用于實現(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降壓轉換器的STOP功能說明。(來源:德州儀器)

縮小設計體積

能夠容納電子產品系統(tǒng)的可用空間正在不斷縮小,無論對于工業(yè)自動化設備,還是小巧的消費類電子產品來說,情況都是如此。工廠車間的占地面積非常寶貴,通常用于特定生產任務的所有控制設備都需要被壓縮到單個控制柜中。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,模塊還具有縮短產品上市時間的優(yōu)勢,并消除了工程團隊內部對越來越專業(yè)電源設計人員的需求以及所帶來的障礙。例如,DC-DC轉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,電源模塊設計工程師不僅擅長于將開關控制器IC集成到緊湊型模塊中,而且還集成了許多相關組件,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(xiàn)在可提供一個評估板 TPSM82822EVM ,見圖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。(來源:德州儀器)

生產測試和檢驗中的挑戰(zhàn)

許多常規(guī)開關轉換器IC均采用行業(yè)標準QFN封裝制造,盡管這是一種長期使用的便捷格式,但它并不適合汽車行業(yè)在組裝過程中要求的外觀檢查技術,參見圖3。從圖中左側、頂部和底部可以看出,標準QFN封裝上的焊點往往位于器件下方PCB,不可見。從側面只可以直接看到少量焊料,這對外觀檢查測試構成了挑戰(zhàn)。下方組件是否已完全焊接或是否存在虛焊點(dry joints)?為了解決這種不確定性,德州儀器開發(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”(請參見右圖3)能夠提供一個更大,更易于觀察的焊點,從而消除了有關器件是否已完全可靠地焊接到PCB的疑問。

圖3: 德州儀器 TPS62810汽車級降壓轉換器 上的可粘錫側面。 (來源:德州儀器)

滿足安全電源設計認證要求

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用和其他工廠自動化計劃的部署,電子系統(tǒng)越來越多地用于工業(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,這是一項技術挑戰(zhàn),因為電源轉換過程通常會產生一定程度的熱量,并且根據(jù)具體應用情況,電壓可能在組件之間產生電弧,在故障條件下組件可能產生爆炸。

ATEX directive可最大程度地減少或消除危險環(huán)境中起火的風險。針對任何給定的氣體、蒸氣或薄霧的危險,可以根據(jù)三種不同的區(qū)域進行分類,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(jù)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?guī)б€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生火花的可能性。另一個要求是,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,因此不會超過最高溫度。

結論

電源管理是一個日新月異的領域,而功率是每個設計的核心,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(tǒng)設計工程師面臨的一些挑戰(zhàn)。

您可以在 這里 查閱有關德州儀器系列電源轉換IC的更多信息。