適合 IoT 系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器,應(yīng)該是這樣滴
發(fā)布時(shí)間:2018-10-25 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在功率頻譜的中低端,存在著“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT) 設(shè)備中常見(jiàn)的適度電源轉(zhuǎn)換等要求,因而必需使用可處理中電平電流的電源轉(zhuǎn)換 IC。這些電流通常約為幾百毫安,但是在內(nèi)置功率放大器出于數(shù)據(jù)或視頻傳輸目的而產(chǎn)生峰值功率需求時(shí)則會(huì)更高。
因此,用于支持眾多 IoT 設(shè)備的無(wú)線傳感器之迅速普及增加了對(duì)于小巧、緊湊和高效率電源轉(zhuǎn)換器的需求,此類(lèi)電源轉(zhuǎn)換器專門(mén)針對(duì)空間和散熱條件受限的設(shè)備外形尺寸量身定做。
然而,與許多其他應(yīng)用不同的是,很多工業(yè)和醫(yī)療產(chǎn)品對(duì)于可靠性、外形尺寸和堅(jiān)固性的標(biāo)準(zhǔn)通常高得多。如您所料,設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)大部分落在了電源系統(tǒng)及其相關(guān)的支持組件上。工業(yè)、甚至醫(yī)療 IoT 產(chǎn)品必須正常運(yùn)行,并在交流電源主插座和備份電池等多種電源之間無(wú)縫切換。此外,必須全力提供針對(duì)各種不同故障情況的保護(hù),并且盡量延長(zhǎng)依靠電池供電時(shí)的工作時(shí)間,確保無(wú)論接入哪種電源,都能實(shí)現(xiàn)可靠的正常系統(tǒng)操作。因此,這些系統(tǒng)中使用的內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)必需堅(jiān)固、緊湊,而且僅需極少的散熱。
電源設(shè)計(jì)考慮因素
工業(yè) IoT 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在具備無(wú)線傳輸能力的系統(tǒng)中使用線性穩(wěn)壓器的做法很常見(jiàn)。這么做的主要原因是線性穩(wěn)壓器能夠最大限度降低 EMI 和噪聲輻射。然而,盡管開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲高于線性穩(wěn)壓器,但是其效率指標(biāo)要好得多。經(jīng)證明,如果開(kāi)關(guān)以可預(yù)知的方式運(yùn)行,那么許多敏感應(yīng)用中的噪聲和 EMI 水平是非常容易管理。假如開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在正常模式中以恒定頻率執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作,而且開(kāi)關(guān)邊沿是干凈和可預(yù)知的 (沒(méi)有過(guò)沖或高頻振鈴),則可以最大限度抑制 EMI。而且,較小的封裝尺寸和高工作頻率能夠提供小巧緊湊的布局,這極大地降低了 EMI 輻射。此外,倘若穩(wěn)壓器可使用低 ESR 陶瓷電容器,則能盡可能地減小輸入和輸出電壓紋波,這些紋波是系統(tǒng)中的額外噪聲源。
當(dāng)今工業(yè)和醫(yī)療 IoT 設(shè)備的主輸入電源通常是由外部 AC/DC 適配器和/或電池組提供的 24V 或 12V DC 電源。然后,采用同步降壓型轉(zhuǎn)換器將該電壓進(jìn)一步降低至 5V 和/或 3.xV 電源軌。然而,這些醫(yī)療 IoT 設(shè)備中的內(nèi)部后置穩(wěn)壓電源軌數(shù)目有所增加,而工作電壓則持續(xù)下降。所以,許多此類(lèi)系統(tǒng)仍然需要用于為低功率傳感器、存儲(chǔ)器、微控制器內(nèi)核、I/O 和邏輯電路供電的 3.xV、2.xV 或 1.xV 電源軌。雖然如此,用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)部功率放大器會(huì)需要一個(gè) 12V 電源軌和高達(dá) 0.8A 的電流能力,以將任何記錄數(shù)據(jù)傳輸至一個(gè)遠(yuǎn)程中央平臺(tái)。
傳統(tǒng)上,這個(gè) 12V 電源軌一直是由升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器提供,因而要求設(shè)計(jì)人員具備專門(mén)的開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)知識(shí),而且必需在印刷電路板 (PCB) 上留出較大的解決方案尺寸。
一款全新緊湊型升壓轉(zhuǎn)換器
ADI 的 µModule® (微型模塊) 產(chǎn)品是完整的系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 解決方案,可最大限度縮短設(shè)計(jì)時(shí)間,并解決工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)中常見(jiàn)的電路板空間和密度問(wèn)題。這些 µModule 產(chǎn)品是完整的電源管理解決方案,其在緊湊的表面貼裝型 BGA 或 LGA 封裝中內(nèi)置了集成 DC/DC 控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容器、補(bǔ)償組件和電感器。
在設(shè)計(jì)中采用 ADI 的 µModule 產(chǎn)品,最多可使完成設(shè)計(jì)過(guò)程所需的時(shí)間減少 50%,具體取決于設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。µModule 系列將組件選擇、優(yōu)化和布局的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)從設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)移到了器件上,從而縮短了整體設(shè)計(jì)時(shí)間和系統(tǒng)故障排除過(guò)程,最終加快了產(chǎn)品上市。
此外,ADI 的 µModule 解決方案還將分立式電源、信號(hào)鏈和隔離型設(shè)計(jì)中常用的主要組件集成在一個(gè)緊湊、外形尺寸類(lèi)似 IC 的封裝內(nèi)。在 ADI 嚴(yán)格的測(cè)試和高可靠性工藝的支持下,µModule 產(chǎn)品系列簡(jiǎn)化了電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)和布局。
µModule 產(chǎn)品系列適用于眾多應(yīng)用,包括負(fù)載點(diǎn)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)字控制式電源)、隔離型轉(zhuǎn)換器、電池充電器和 LED 驅(qū)動(dòng)器。µModule 電源產(chǎn)品是高度集成的解決方案,可為每款器件提供 PCB Gerber 文件,因而能在滿足時(shí)間和空間限制條件的同時(shí),打造一種高效可靠的解決方案,有些產(chǎn)品還可符合 EN55022 Class B 標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)低 EMI 要求。
由于設(shè)計(jì)資源在系統(tǒng)復(fù)雜性增加和設(shè)計(jì)周期縮短的情況下變得緊張,因此工作重點(diǎn)放在了系統(tǒng)關(guān)鍵知識(shí)產(chǎn)權(quán)的開(kāi)發(fā)上。這通常意味著電源會(huì)被擱置在一邊,直到開(kāi)發(fā)周期的后期才會(huì)予以考慮。由于留出的時(shí)間微乎其微,而且專業(yè)的電源設(shè)計(jì)資源可能十分有限,因此要開(kāi)發(fā)出尺寸盡可能小的高效率解決方案,同時(shí)還要盡可能充分利用 PCB 背面的未用面積以實(shí)現(xiàn)最大的空間利用率,這導(dǎo)致了非常大的壓力。
μModule 穩(wěn)壓器為此提供了一種理想的應(yīng)對(duì)方案;其原理是“內(nèi)繁外簡(jiǎn)”,兼具開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器高效率和線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)中,謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)、PCB 布局和組件選擇是非常重要,許多經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員在職業(yè)生涯早期都曾遇到過(guò)電路板燃燒問(wèn)題。在時(shí)間較短或電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有限的情況下,現(xiàn)成的 μModule 穩(wěn)壓器可節(jié)省時(shí)間并降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。
LTM4661 是 ADI 最新的 μModule 產(chǎn)品實(shí)例,該器件是采用 6.25mm x 6.25mm x 2.42mm BGA 封裝的同步升壓型 μModule 穩(wěn)壓器。封裝中內(nèi)置了開(kāi)關(guān)控制器、功率 FET、電感器和所有的支持組件。LTM4661 在 1.8V 至 5.5V 的輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)行,可調(diào)節(jié) 2.5V 至 15V (由單個(gè)外部電阻器設(shè)定) 的輸出電壓。僅需采用大容量的輸入和輸出電容器。
圖 1:從 3.3V 至 5V 輸入范圍,在高達(dá) 800mA 電流條件下提供 12V 輸出 (采用一個(gè)外部時(shí)鐘)
LTM4661 是高效率器件,它在執(zhí)行 3.3V 輸入至 12V 輸出的升壓轉(zhuǎn)換中能實(shí)現(xiàn)高于 87% 的效率。見(jiàn)下方圖 2 的效率曲線。
圖 2:LTM4661 從 3.3V 輸入至 5V~15V 輸出的轉(zhuǎn)換效率與輸出電流關(guān)系曲線
另外,圖 3 顯示了 LTM4661 在執(zhí)行 3.3V 輸入至 12V 輸出 (800mA DC 電流) 轉(zhuǎn)換中的實(shí)測(cè)熱圖像 (具有 200LFM 氣流,無(wú)散熱器)。
圖 3:LTM4661 的熱圖像;3.3V 輸入至 12V 輸出 (在 0.8A),具有 200LFM 氣流,無(wú)散熱器
結(jié) 論
IoT 設(shè)備的部署近年來(lái)呈現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)趨勢(shì),包括面向防務(wù)和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的眾多產(chǎn)品。近年來(lái),包括大量使用傳感器的醫(yī)療和科學(xué)儀表在內(nèi)的新一波產(chǎn)品已經(jīng)成為主要的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)因素,并且現(xiàn)在才開(kāi)始出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)的跡象。與此同時(shí),由于這些系統(tǒng)存在空間和熱設(shè)計(jì)限制,因此產(chǎn)生了對(duì)于新型電源轉(zhuǎn)換器的需求,此類(lèi)轉(zhuǎn)換器應(yīng)具備必要的性能指標(biāo),包括小巧、緊湊和高散熱效率的尺寸,以便為功率放大器等器件的內(nèi)部電路供電。幸運(yùn)的是,ADI推出的 LTM4661 升壓型 µModule 穩(wěn)壓器等器件提升了電源設(shè)計(jì)人員工作任務(wù)的效率。
最后,在此類(lèi)環(huán)境中使用 µModule 穩(wěn)壓器優(yōu)勢(shì)明顯,因?yàn)樗鼈兡軌蝻@著地縮短調(diào)試時(shí)間并實(shí)現(xiàn)更高的電路板面積利用率。這就降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本以及產(chǎn)品生命周期的總擁有成本。
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