物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要高集成度和小尺寸功率轉(zhuǎn)換器件

作者 / Tony Armstrong ADI公司 Power by Linear部門

　　Tony Armstrong，營(yíng)銷總監(jiān)，負(fù)責(zé)電源轉(zhuǎn)換和管理產(chǎn)品方面從概念到停產(chǎn)的所有事情。

摘要：隨著支持眾多物聯(lián)網(wǎng)器件的無線傳感器的激增，業(yè)界對(duì)器件的小型、緊湊、高效功率轉(zhuǎn)換器的需求在不斷增加。

　　在功率譜的中低端存在一些不太大的功率轉(zhuǎn)換要求，這在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備之類的應(yīng)用中很常見。這些應(yīng)用需要使用能夠處理適度電流水平的功率轉(zhuǎn)換IC。電流通常在數(shù)百毫安范圍，但如果板載功率放大器為了傳輸數(shù)據(jù)或視頻而存在峰值功率需求，那么電流量可能更高。因此，隨著支持眾多物聯(lián)網(wǎng)器件的無線傳感器的激增，業(yè)界對(duì)專門用于空間和散熱受限器件的小型、緊湊、高效功率轉(zhuǎn)換器的需求在不斷增加。

　　然而，與其他很多應(yīng)用不同，許多工業(yè)和醫(yī)療產(chǎn)品對(duì)可靠性、尺寸和穩(wěn)健性通常有著更高的標(biāo)準(zhǔn)。正如大家所料，相當(dāng)部分的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)落在了功率系統(tǒng)及其相關(guān)支持器件上。工業(yè)甚至醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品必須正常運(yùn)行并在多個(gè)電源(如交流電源插座和備用電池)之間無縫切換。此外，必須竭盡全力防止故障，同時(shí)在由電池供電時(shí)須最大程度延長(zhǎng)工作時(shí)間，以確保無論存在什么電源，系統(tǒng)都能可靠地正常工作。因此，這些系統(tǒng)內(nèi)部使用的功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)必須魯棒、緊湊且散熱需求極低。

1 電源設(shè)計(jì)的考慮

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在集成無線傳輸功能的系統(tǒng)中使用線性穩(wěn)壓器并不罕見。主要原因是其EMI和噪聲極低。盡管如此，雖然開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲高于線性穩(wěn)壓器，但前者的效率要優(yōu)越得多。已經(jīng)證明，如果開關(guān)穩(wěn)壓器的行為可預(yù)測(cè)，那么許多敏感應(yīng)用中的噪聲和EMI水平是可管理的。如果開關(guān)穩(wěn)壓器在正常模式下以恒定頻率開關(guān)，并且開關(guān)邊沿干凈、可預(yù)測(cè)且沒有過沖或高頻振鈴，那么EMI將極小。此外，小封裝尺寸和高工作頻率可以提供小而緊湊的布局，從而最大限度地降低EMI輻射。而且，如果穩(wěn)壓器可以與低ESR陶瓷型電容一起使用，則輸入和輸出電壓紋波(這是系統(tǒng)中的額外噪聲源)可以最小化。

　　當(dāng)今工業(yè)和醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的主輸入電源通常是來自外部AC-DC適配器和/或電池組的24 V或12 V直流電源。然后，此電壓通過同步降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步降低到5 V和/或3.x V電壓軌。盡管如此，經(jīng)過這些醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備內(nèi)部調(diào)節(jié)后的供電軌數(shù)量卻在增加，而工作電壓持續(xù)降低。因此，其中許多系統(tǒng)仍然需要3.x V、2.x V或1.x V電壓軌，用于為低功耗傳感器、存儲(chǔ)器、微控制器內(nèi)核、輸入/輸出和邏輯電路供電。然而，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)部功率放大器可能需要最高0.8 A電流能力的12 V電壓軌，以將任何記錄的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程集中式集線器。

　　傳統(tǒng)上，該12 V電壓軌由升壓開關(guān)穩(wěn)壓器提供，需要專門的開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)知識(shí)和技能，并且占用印刷電路板(PCB)上相當(dāng)大的面積。

2 新型緊湊式升壓轉(zhuǎn)換器

　　ADI公司的μModule?(微型模塊)產(chǎn)品是完整的系統(tǒng)化封裝(SiP)解決方案，可最大限度地縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，解決工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)中常見的電路板空間和密度問題。這些μModule產(chǎn)品是完整的電源管理解決方案，在緊湊型表貼BGA或LGA封裝內(nèi)集成DC-DC控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容、補(bǔ)償組件和電感。利用ADI公司μModule產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)可以將完成設(shè)計(jì)過程所需的時(shí)間減少多達(dá)50%，具體取決于設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。μModule系列將元件選型、優(yōu)化和布局等設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)從設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)移到器件上，可縮短整體設(shè)計(jì)時(shí)間，減少系統(tǒng)故障，最終加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　此外，ADI公司的μModule解決方案將分立式電源、信號(hào)鏈和隔離設(shè)計(jì)中常用的關(guān)鍵元件集成在緊湊的IC式外形尺寸中。在ADI公司嚴(yán)格的測(cè)試和高可靠性流程的支持下，μModule產(chǎn)品系列簡(jiǎn)化了功率轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)和布局。

　　μModule系列產(chǎn)品涵蓋了廣泛的應(yīng)用，包括終端負(fù)載穩(wěn)壓器、電池充電器、LED驅(qū)動(dòng)器、電源系統(tǒng)管理(PMBus數(shù)字管理電源)和隔離式轉(zhuǎn)換器。作為高集成度解決方案且每個(gè)器件都提供PCB Gerber文件，μModule電源產(chǎn)品可在滿足時(shí)間和空間限制的同時(shí)提供高效率、高可靠性，某些產(chǎn)品還提供符合EN 55022 B類標(biāo)準(zhǔn)的低EMI解決方案。

　　隨著設(shè)計(jì)資源因?yàn)橄到y(tǒng)復(fù)雜性的提高和設(shè)計(jì)周期的縮短而變得緊張，關(guān)注重點(diǎn)落在了系統(tǒng)關(guān)鍵知識(shí)產(chǎn)權(quán)的開發(fā)上。這常常意味著電源受到忽視，直到開發(fā)周期的后期才予以解決。由于時(shí)間很短，而且專業(yè)電源設(shè)計(jì)資源可能有限，因此需要開發(fā)出尺寸盡可能小的高效率解決方案，同時(shí)可能要對(duì)PCB的反面加以運(yùn)用，使空間利用率最大化。

　　μModule穩(wěn)壓器為此提供了理想的答案。此概念內(nèi)部復(fù)雜，但外部簡(jiǎn)單——既有開關(guān)穩(wěn)壓器的效率，又有線性穩(wěn)壓器的易設(shè)計(jì)性。認(rèn)真負(fù)責(zé)的設(shè)計(jì)、PCB布局和元件選擇對(duì)于開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)非常重要，很多經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員在職業(yè)生涯的早期聞到了電路板燃燒的獨(dú)特香味。當(dāng)時(shí)間短或電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足時(shí)，現(xiàn)成的μModule穩(wěn)壓器可節(jié)省時(shí)間并降低風(fēng)險(xiǎn)。

　　ADI公司μModule系列最近的一個(gè)實(shí)例是LTM4661同步升壓μModule穩(wěn)壓器，其采用6.25 mm×6.25 mm×2.42 mm BGA封裝。封裝中包含開關(guān)控制器、功率FET、電感和所有支持元件。在1.8 V至5.5 V的輸入范圍內(nèi)工作時(shí)，它可以提供2.5 V至15 V的穩(wěn)壓輸出，輸出電壓通過單個(gè)外部電阻設(shè)置。只需要一個(gè)輸入和輸出體電容。

　　LTM4661效率很高，從3.3 V輸入升壓至12 V輸出時(shí)，效率高于87%。效率曲線參見圖2。

　　圖3顯示了LTM4661的實(shí)測(cè)熱圖像：3.3 V輸入，12 V、800 mA直流輸出，200 LFM氣流，無散熱器。

3 結(jié)論

　　近年來，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的部署爆炸式增長(zhǎng)，其中包括各種用于軍事和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品。新一波產(chǎn)品，包括裝有傳感器的醫(yī)療和科學(xué)儀器，一直是近年來市場(chǎng)的重要推動(dòng)因素，現(xiàn)已開始出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)的跡象。與此同時(shí)，這些系統(tǒng)的空間和熱設(shè)計(jì)限制催生了一類新型功率轉(zhuǎn)換器，要求其實(shí)現(xiàn)小尺寸、緊湊且熱效率高的必要性能指標(biāo)，以為諸如功率放大器等內(nèi)部電路供電。幸運(yùn)的是，最近發(fā)布的LTM4661升壓型μModule穩(wěn)壓器之類的器件簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)人員的工作。

　　最后，在此類應(yīng)用中使用μModule穩(wěn)壓器是很有意義的，因?yàn)樗茱@著縮短調(diào)試時(shí)間并提高電路板面積利用率。由此將能降低基礎(chǔ)設(shè)施成本，以及產(chǎn)品生命周期的總擁有成本。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第18頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。