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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

發(fā)布時間:2021-02-08 來源:Tony Armstrong 責任編輯:wenwei

【導讀】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)設備之類的應用中很常見。這些應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,與其他很多應用不同,許多工業(yè)和醫(yī)療產(chǎn)品對可靠性、尺寸和穩(wěn)健性通常有著更高的標準。正如大家所料,相當部分的設計負擔落在了功率系統(tǒng)及其相關支持器件上。工業(yè)甚至醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品必須正常運行并在多個電源(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,同時在由電池供電時須最大程度延長工作時間,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)換架構必須魯棒、緊湊且散熱需求極低。
 
電源設計的考慮
 
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計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,如果開關穩(wěn)壓器的行為可預測,那么許多敏感應用中的噪聲和EMI水平是可管理的。如果開關穩(wěn)壓器在正常模式下以恒定頻率開關,并且開關邊沿干凈、可預測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。
 
當今工業(yè)和醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設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程集中式集線器。
 
傳統(tǒng)上,該12 V電壓軌由升壓開關穩(wěn)壓器提供,需要專門的開關模式電源設計知識和技能,并且占用印刷電路板(PCB)上相當大的面積。
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計時間,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、補償組件和電感。利用ADI公司µModule產(chǎn)品進行設計可以將完成設計過程所需的時間減少多達50%,具體取決于設計的復雜程度。µModule系列將元件選型、優(yōu)化和布局等設計負擔從設計人員轉(zhuǎn)移到器件上,可縮短整體設計時間,減少系統(tǒng)故障,最終加快產(chǎn)品上市時間。
 
此外,ADI公司的µModule解決方案將分立式電源、信號鏈和隔離設計中常用的關鍵元件集成在緊湊的IC式外形尺寸中。在ADI公司嚴格的測試和高可靠性流程的支持下,µModule產(chǎn)品系列簡化了功率轉(zhuǎn)換的設計和布局。
 
µModule系列產(chǎn)品涵蓋了廣泛的應用,包括終端負載穩(wěn)壓器、電池充電器、LED驅(qū)動器、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器件都提供PCB Gerber文件,µModule電源產(chǎn)品可在滿足時間和空間限制的同時提供高效率、高可靠性,某些產(chǎn)品還提供符合EN 55022 B類標準的低EMI解決方案。
 
隨著設計資源因為系統(tǒng)復雜性的提高和設計周期的縮短而變得緊張,關注重點落在了系統(tǒng)關鍵知識產(chǎn)權的開發(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。由于時間很短,而且專業(yè)電源設計資源可能有限,因此需要開發(fā)出尺寸盡可能小的高效率解決方案,同時可能要對PCB的反面加以運用,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)部復雜,但外部簡單——既有開關穩(wěn)壓器的效率,又有線性穩(wěn)壓器的易設計性。認真負責的設計、PCB布局和元件選擇對于開關穩(wěn)壓器設計非常重要,很多經(jīng)驗豐富的設計人員在職業(yè)生涯的早期聞到了電路板燃燒的獨特香味。當時間短或電源設計經(jīng)驗不足時,現(xiàn)成的µModule穩(wěn)壓器可節(jié)省時間并降低風險。
 
ADI公司µModule系列最近的一個實例是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,它可以提供2.5 V至15 V的穩(wěn)壓輸出,輸出電壓通過單個外部電阻設置。只需要一個輸入和輸出體電容。
 
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
圖1.3.3 V至5 V輸入,提供最高800 mA的12 V電壓,采用外部時鐘。
 
LTM4661效率很高,從3.3 V輸入升壓至12 V輸出時,效率高于87%。效率曲線參見圖2。
 
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
圖2.LTM4661的效率與輸出電流的關系,從3.3 V輸入升壓為5 V至15 V輸出。
 
圖3顯示了LTM4661的實測熱圖像:3.3 V輸入,12 V、800 mA直流輸出,200 LFM氣流,無散熱器。
 
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
圖3.LTM4661的熱圖像:3.3 V輸入,12 V、0.8 A輸出,200 LFM氣流,無散熱器。
 
結論
 
近年來,物聯(lián)網(wǎng)設備的部署爆炸式增長,其中包括各種用于軍事和工業(yè)應用領域的產(chǎn)品。新一波產(chǎn)品,包括裝有傳感器的醫(yī)療和科學儀器,一直是近年來市場的重要推動因素,現(xiàn)已開始出現(xiàn)顯著增長的跡象。與此同時,這些系統(tǒng)的空間和熱設計限制催生了一類新型功率轉(zhuǎn)換器,要求其實現(xiàn)小尺寸、緊湊且熱效率高的必要性能指標,以為諸如功率放大器等內(nèi)部電路供電。幸運的是,最近發(fā)布的LTM4661升壓型µModule穩(wěn)壓器之類的器件簡化了電源設計人員的工作。
 
最后,在此類應用中使用µModule穩(wěn)壓器是很有意義的,因為它能顯著縮短調(diào)試時間并提高電路板面積利用率。由此將能降低基礎設施成本,以及產(chǎn)品生命周期的總擁有成本。
 
作者簡介
 
Tony Armstrong是ADI公司Power by Linear部門的營銷總監(jiān),于2000年5月加入公司。他負責電源轉(zhuǎn)換和管理產(chǎn)品方面從概念到停產(chǎn)的所有事情。加入凌力爾特(現(xiàn)為ADI公司一部分)之前,Tony在Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel Corp.(歐洲)擔任過營銷、銷售和運營方面的不同職位。他于1981年在英國曼徹斯特大學獲得應用數(shù)學學士學位。聯(lián)系方式:anthony.armstrong@analog.com
 
 
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