不管电子工程师正在规划什么类型的产品,电源办理已成为他们面对最急迫的一个应战,从规划电动轿车的单个电池组以便完成最大路程数,再到最小的电池供电IoT传感器,经过延伸电池寿数来坚持工厂的运营功率,这些都至关重要。电源不再仅仅是有必要规划的一组静态电源轨,现在的电源架构师有必要习惯快速改变的负载条件,供给无瞬态的电源轨以到达严厉的公役,并将一切设备都极力归入到一个空间越来越受限制的外壳中。在本技能文章中,咱们将要点介绍电源架构师面对的一些重要应战,要点是办理转化器噪声、出产和认证应战,以及进一步缩小PCB尺度的需求。
导言
电源架构师的作用在不断改变。现在,有各式各样的电源需求需求应对,不只要考虑广泛的可用动力,例如太阳能、能量搜集技能、电池、以太网供电、电理性电源、线路供电等,而且要考虑每个电源轨的规范。日益杂乱的半导体立异发明了相同多种多样的功率预算需求,从能量搜集型超低功率无线SoC器材到针对核算密布型FPGA和推理处理器的大电流、排序多电源轨。
应对瞬态和EMI
瞬态可以经过多种来历出现在电源轨上。高dv/dt开关(例如在工业电机驱动器中运用的办法)是形成较大瞬态的一般原因。假如不经由被迫元件构成的滤波器按捺,这些瞬态或许会对开关晶体管及其相关的驱动器和电路形成永久性危害。许多电源运用比如降压(buck)、升压(boost)或升降压(buck-boost)之类的开关拓扑架构,将输入电源转化为所需的输出电压。虽然这种电源转化办法很盛行、高效且经过充沛验证,但开关进程自身会发生电磁搅扰(EMI),并会感应到电源轨上辐射出去。可以选用传统的滤波技能来处理电源轨上的开关瞬态,可是,正如咱们行将评论的那样,关于某些活络的监控运用,瞬态仍然会搅扰电路的正常运转。辐射噪声会带来更高的电路规划杂乱性和潜在的额定本钱。例如,或许需求对转化器电路周围进行金属或金属箔屏蔽,然后需求额定的出产工艺,并使组件本钱升高。许多开关稳压器IC具有1.5～1.8MHz的固定开关频率,这是AM播送无线电频段的顶部,在轿车信息文娱体系接收器等某些运用场景下,或许会带来一些费事。而另一种办法则是挑选不太或许引起问题的器材开关频率。
这样的一个比如是 .德州仪器(TI)TPS6281x-Q1. 。该款契合AEC-Q100规范的轿车级器材默许开关频率为2.25MHz,经过运用一个电阻器可以在1.8～4.0MHz范围内进行调理。它还可以从外部时钟取得开关频率,而且可选地运用扩频办法作业,转化器频率可以在标称开关频率之上高达288kHz的范围内随机改变。
即便选用了最佳的滤波技能,可是来自开关转化器哪怕最小的搅扰仍然会影响活络的丈量成果,例如在患者生命体征监护仪,或许用于测验丈量意图的运用都是这样。适用于此类运用的一个很好器材是 德州仪器TPS62840 ,这是一款1.8～6.5V,750 mA降压转化器。该器材具有60nA的极低静态电流,可经过运用STOP引脚暂时中止转化器以消除任何开关噪声。转化器输出端的坚持电容器用于为详细运用供电,因而它可以持续作业而不受任何噪声的影响(请拜见图1)。该技能不只可用于完成活络的丈量功用,而且可以在无线链路条件为边沿(marginal)时改进信噪比。
图1:德州仪器TPS62840降压转化器的STOP功用阐明。(来历:德州仪器)
缩小规划体积
可以包容电子产品体系的可用空间正在不断缩小,不管关于工业自动化设备,仍是细巧的消费类电子产品来说,状况都是如此。工厂车间的占地面积十分名贵,一般用于特定出产任务的一切操控设备都需求被压缩到单个操控柜中。许多电源规划师和工程团队都在考虑运用依据模块的办法来装备电源。电子职业关于分立器材方案与模块化方案并不生疏,当然电源办理也不破例。除了完成更高程度的功用集成外,模块还具有缩短产品上市时刻的优势,并消除了工程团队内部对越来越专业电源规划人员的需求以及所带来的妨碍。例如,DC-DC转化器长期以来一直是契合业界规范尺度的密布封装器材,电源模块规划工程师不只擅长于将开关操控器IC集成到紧凑型模块中,而且还集成了许多相关组件,并在组件BOM本钱和散热特性等方面都进行了优化。德州仪器经过在规划中将更大的元件之一(电感器)集成到模块,然后使这一概念更进一步。 TPSM82822 模块的尺度仅为2.0 x 2.5 x 1.1 mm,并选用职业规范的10引脚MicroSIP封装格局构建,这些同步脉宽调制(PWM)方式降压转化器可供给1A和2A版别,具有省电方式以进步轻载功率,典型静态电流可低至4µA。该模块可容许2.4～5.5VDC的输入电压,并供给0.6～4VDC的可调输出电压,运转功率一般高达95%。
为了协助依据TPSM82822的原型规划,现在可供给一个评价板 TPSM82822EVM ,见图2。
图2:德州仪器TPSM82822EVM评价板,用于带有集成电感器的高效降压转化器模块TPSM82822。(来历:德州仪器)
出产测验和查验中的应战
许多惯例开关转化器IC均选用职业规范QFN封装制作,虽然这是一种长期运用的快捷格局,但它并不合适轿车职业在拼装进程中要求的外观查看技能,拜见图3。从图中左边、顶部和底部可以看出,规范QFN封装上的焊点往往坐落器材下方PCB,不行见。从旁边面只可以直接看到少数焊料,这对外观查看测验构成了应战。下方组件是否已彻底焊接或是否存在虚焊点(dry joints)?为了处理这种不确定性,德州仪器开发了一种增强型QFN封装,其间结合了从封装旁边面雕琢的电镀腔,然后增加了可以目测查看的接头面积。这些“可粘锡旁边面”(请拜见右图3)可以供给一个更大,更易于调查的焊点,然后消除了有关器材是否已彻底可靠地焊接到PCB的疑问。
图3: 德州仪器 TPS62810轿车级降压转化器 上的可粘锡旁边面。 (来历:德州仪器)
满意安全电源规划认证要求
跟着工业物联网运用和其他工厂自动化方案的布置,电子体系越来越多地用于工业和商业设备。由于某些作业环境或许包括风险或爆破性的液体或气体,其间的设备需求契合强制的安全规范。关于电源工程师而言,这是一项技能应战,由于电源转化进程一般会发生必定程度的热量,而且依据详细运用状况,电压或许在组件之间发生电弧,在毛病条件下组件或许发生爆破。
ATEX directive可最大程度地削减或消除风险环境中起火的风险。针对任何给定的气体、蒸气或薄雾的风险,可以依据三种不同的区域进行分类,在电源IC的环境下,或许的起火源被认为是电火花和高表面温度。例如,关于智能燃气表,依据包装尺度的不同,答应的最高温度为244℃或275℃。规划选用距离较大且带引线的转化器IC,即便在湿润环境中,也有助于下降电应力和发生火花的或许性。另一个要求是,可以挑选高效散热的封装方式,然后防止设备到达最高答应温度。德州仪器的TPS62840选用高导热功能的HVSSOP-8封装,尺度为3 x 5 mm。它运用粘合到IC基板的铜板,可以散失主体IC的一切热量,因而不会超越最高温度。
定论
电源办理是一个一日千里的范畴,而功率是每个规划的中心,电源的装备以不影响详细运用的功能为最重要方针。在本文中,咱们评论了电源架构师和嵌入式体系规划工程师面对的一些应战。
