電源系統(tǒng)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)開始使用“即插即用”一詞來描繪一些易于使用的事物了。與過去相比，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，客戶希望產(chǎn)品可以“開盒即用”。這樣的期望與過去相比或多或少得到了合理滿足。然而，這種外在的簡單性卻稍含欺騙成分。作為工程師，我們必須花更多心思簡化產(chǎn)品的外在使用，盡管其內(nèi)部可能相當復雜。

按照這種趨勢，IC 組件供應商已經(jīng)在努力簡化其部件，充分滿足系統(tǒng)設計人員的使用需求。與不久的過去相比，大多數(shù) IC 產(chǎn)品說明書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(tǒng)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(tǒng)設計人員在開展自己的 PCB 構建之前詳細了解所需知識。

可惜的是，有時候系統(tǒng)設計工程師會有誤解，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)品說明書中的應用圖“連接各點”，就不需要再對設計做任何額外的分析或驗證。而現(xiàn)代 IC 產(chǎn)品說明書中提供的指南和建議雖然可能會簡化系統(tǒng)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(tǒng)包括兩大塊。首先，我們必須選擇適當類型的電池技術及電池組設計。其次，我們必須開發(fā)電子電路，為電池組充電并將未經(jīng)調(diào)整的電池“原始”電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓輸出軌，充分滿足實際系統(tǒng)電子產(chǎn)品的工作需求。之前，我們曾經(jīng)談論過在第一步選擇適當類型電池技術的重要性。一旦完成這一步，“真正的工作”就開始了。

常見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題。但需要記住的是，這類手持系統(tǒng)的功率密度實際上是相當高的。

表 1：便攜式消費類產(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，熱耗散是顯而易見的。實際上，此類設備觸感暖和。對于內(nèi)部耗散僅數(shù)毫瓦的更低功耗設備而言，最終用戶不會感覺設備外殼逐漸變熱。但是，如果這種低功耗電路中的耗散集中在設備內(nèi)部的一個小“熱點”上，設備的可靠性或?qū)嵱眯跃蜁钊丝皯n。這在半導體組件工作接近或者高于推薦的熱限時尤為明顯。

過去，由于半導體器件封裝尺寸大，在必要時還提供支持外部“螺栓固定”散熱片的選項，所以我們可能不會過多地去考慮耗散僅為數(shù)毫瓦的電路。但是，對于高密度便攜式產(chǎn)品，尤其是那些沒有內(nèi)部制冷風扇的便攜式產(chǎn)品而言，唯一實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 表面的散熱焊盤連接至散熱面板。圖 1 說明了熱通孔怎么能夠用來將 IC 上的熱散去。大部分熱量通過熱傳導方式擴散，因此我們希望最大限度地減少從 IC 散熱焊盤到 PCB 另一面銅層路徑中的熱阻抗。這可通過并行布局連接至 IC 的多個散熱通孔將熱導離封裝來實現(xiàn)。

圖 1：表面安裝 PCB 的熱傳導路徑

為 PCB 設計執(zhí)行全面、精確的散熱仿真可能是一個復雜的過程，需要高級熱分析軟件，往往會超出許多項目的范圍和預算。但根據(jù) IC 產(chǎn)品說明書中提供的方程式及布局指南，系統(tǒng)設計人員通?？色@得使其電源設計“一次性通過”的良機。此外，系統(tǒng) PCB 上提供的熱通孔、銅跡線和銅面層的有效熱阻抗計算也相當簡單。系統(tǒng)設計人員可根據(jù)下列參考文獻中詳細描述的技術，更加信心百倍地為電源轉(zhuǎn)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，從事過應用工程師與技術市場營銷方面的工作，為便攜式電源與電池管理提供支持。在加入 TI 前，Upal 曾效力于多家開發(fā)移動電話、便攜式計算機與消費類產(chǎn)品的 OEM 廠商，擔任系統(tǒng)設計工程師。Upal 先后畢業(yè)于伊利諾伊大學 (the University of Illinois) 與密歇根州立大學 (Michigan State University)，分別獲電氣工程學士學位與電氣工程碩士學位。