電源管理：不僅僅是設(shè)計一個電源

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(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(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%。

為了幫助基于TPSM82822的原型設(shè)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(zhuǎn)換器模塊TPSM82822。(來源:德州儀器)

生產(chǎn)測試和檢驗中的挑戰(zhàn)

許多常規(guī)開關(guān)轉(zhuǎn)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(shù),參見圖3。從圖中左側(cè)、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(cè)面只可以直接看到少量焊料,這對外觀檢查測試構(gòu)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(jié)合了從封裝側(cè)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(cè)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(guān)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(zhuǎn)換器 上的可粘錫側(cè)面。 (來源:德州儀器)

滿足安全電源設(shè)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(shè)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(shè)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(shù)挑戰(zhàn),因為電源轉(zhuǎn)換過程通常會產(chǎn)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(chǎn)生電弧,在故障條件下組件可能產(chǎn)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(shè)計采用間距較大且?guī)б€的轉(zhuǎn)換器IC,即使在潮濕環(huán)境中,也有助于降低電應力和產(chǎn)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(shè)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(jié)論

電源管理是一個日新月異的領(lǐng)域,而功率是每個設(shè)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(gòu)師和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工程師面臨的一些挑戰(zhàn)。

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