電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)：非完全“即插即用”

作者: TI電池管理解決方案產(chǎn)品部高級(jí)應(yīng)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(lái)描繪一些易于使用的事物了。與過(guò)去相比，如今許多復(fù)雜設(shè)備在設(shè)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(guò)去相比或多或少得到了合理滿足。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(nèi)部可能相當(dāng)復(fù)雜。

按照這種趨勢(shì)，IC 組件供應(yīng)商已經(jīng)在努力簡(jiǎn)化其部件，充分滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的使用需求。與不久的過(guò)去相比，大多數(shù) IC 產(chǎn)品說(shuō)明書都提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)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(jí)設(shè)計(jì)。幾乎所有編錄中的 IC 都提供有評(píng)估套件，以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在開展自己的 PCB 構(gòu)建之前詳細(xì)了解所需知識(shí)。

可惜的是，有時(shí)候系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師會(huì)有誤解，認(rèn)為他們?cè)谧约旱脑O(shè)備設(shè)計(jì)中使用的 IC 組件也是“即插即用”的。這很容易推測(cè)，只要按照 IC 產(chǎn)品說(shuō)明書中的應(yīng)用圖“連接各點(diǎn)”，就不需要再對(duì)設(shè)計(jì)做任何額外的分析或驗(yàn)證。而現(xiàn)代 IC 產(chǎn)品說(shuō)明書中提供的指南和建議雖然可能會(huì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但卻并不能完全消除需要由產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師完成的工作。

為電池供電設(shè)備設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)包括兩大塊。首先，我們必須選擇適當(dāng)類型的電池技術(shù)及電池組設(shè)計(jì)。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(shí)際系統(tǒng)電子產(chǎn)品的工作需求。之前，我們?cè)?jīng)談?wù)撨^(guò)在第一步選擇適當(dāng)類型電池技術(shù)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(duì)極低功耗電池供電設(shè)備而言，尤為如此，我們很容易認(rèn)為其功率水平不足以讓人擔(dān)心熱管理問(wèn)題。但需要記住的是，這類手持系統(tǒng)的功率密度實(shí)際上是相當(dāng)高的。

表 1：便攜式消費(fèi)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(duì)低功耗的器件也需要精心設(shè)計(jì)，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(duì)于超級(jí)本、筆記本以及計(jì)算機(jī)等高功率設(shè)備而言，熱耗散是顯而易見的。實(shí)際上，此類設(shè)備觸感暖和。對(duì)于內(nèi)部耗散僅數(shù)毫瓦的更低功耗設(shè)備而言，最終用戶不會(huì)感覺設(shè)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(shè)備內(nèi)部的一個(gè)小“熱點(diǎn)”上，設(shè)備的可靠性或?qū)嵱眯跃蜁?huì)令人堪憂。這在半導(dǎo)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(dǎo)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(xiàng)，所以我們可能不會(huì)過(guò)多地去考慮耗散僅為數(shù)毫瓦的電路。但是，對(duì)于高密度便攜式產(chǎn)品，尤其是那些沒有內(nèi)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(dǎo)方式擴(kuò)散，因此我們希望最大限度地減少?gòu)?IC 散熱焊盤到 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(dǎo)離封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖 1：表面安裝 PCB 的熱傳導(dǎo)路徑

為 PCB 設(shè)計(jì)執(zhí)行全面、精確的散熱仿真可能是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要高級(jí)熱分析軟件，往往會(huì)超出許多項(xiàng)目的范圍和預(yù)算。但根據(jù) IC 產(chǎn)品說(shuō)明書中提供的方程式及布局指南，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通?？色@得使其電源設(shè)計(jì)“一次性通過(guò)”的良機(jī)。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(jì)算也相當(dāng)簡(jiǎn)單。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)下列參考文獻(xiàn)中詳細(xì)描述的技術(shù)，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(xiàn)

1. 《構(gòu)建自己的電源：布局注意事項(xiàng)》，作者：Robert Kollman，德州儀器，2005 年；
2. 《表面安裝布局的散熱注意事項(xiàng)》，作者：Charles Mauney，德州儀器，2006 年；
3. 《AN-2020：散熱設(shè)計(jì)：寧愿深入了解，也不做“事后諸葛亮”》，作者：Marc Davis-Marsh，應(yīng)用報(bào)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(jí)應(yīng)用工程師，自從 2003 年加入 TI 以來(lái)，從事過(guò)應(yīng)用工程師與技術(shù)市場(chǎng)營(yíng)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(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)與消費(fèi)類產(chǎn)品的 OEM 廠商，擔(dān)任系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。