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物联网系统需要高整合度微型电源转换元件
 

【作者: Tony Armstrong】2018年11月21日 星期三

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在中低阶电源领域中,对於电源转换的需求并不高,像是物联网(IoT)设备采用的电源转换IC,便可用来处理中等位准的电流。这类电流通常在数百毫安培之间,但如果机板上有搭载电源放大器以用来传送资料或视讯,由於必须应付尖峰电源需求,因此需要处理的电流就会拉高。此外,物联网装置采用的众多无线感测器,促使业界对於高效率微型化电源转换器的需求持续攀升,这类元件必须针对装置的尺寸规格调整本身的尺寸与发热量。


然而,有别於许多其他应用,一些工业与医疗产品通常对可靠度、尺寸规格、以及强固性会要求较高的标准。如各界所预期,设计工作大部分是电源系统以及相关的支援元件。工业甚至医疗物联网产品必须在多个电源之间妥善运行与无缝切换,像是市电??座以及不断电系统的电池备援电力。


此外,必须投入可观的心力以防范各种电路故障,并尽可能提高以电池供电的运作时间,以确保不论是否有电源时,系统的正常运作都能维持可靠。因此这些系统的内部电源转换架构必须强固、小巧,且尽可能减少对散热片的需求。


电源供应器的设计考量因素

工业物联网系统设计者,在面临内建无线传输功能的系统时,对於采用线性稳压器的作法并不会陌生,主要原因是如此能尽量减少电磁干扰与杂讯。不过,虽然交换式电压调整器产生的杂讯会多过线性稳压器,但在效率上却遥遥领先。如果切换器的行为可以预测,在许多较为敏感的应用中,杂讯与电磁干扰值仍可维持在可控制的范围内。


如果在正常模式下以固定的频率切换稳压器的开关,那麽切换的波形边缘(switching edge)就不会有杂讯而且可预测,同时也不会有过冲或高频率振铃,那麽,电磁干扰就能减至最小。此外,小尺寸的封装与高运作频率能提供微型化的精小布线,进而减少EMI幅射。此外,若稳压器能搭配使用低等效串联电阻(ESR)的陶瓷电容,经常对系统造成额外杂讯来源的输入与输出端电压涟波就能减至最小。


现今工业与医疗物联网装置所使用的主输入电源,会从外部交流转直流转换器与/或电池组,转换成24伏或12伏的直流电。之後电压还会利用同步降压转换器降至5伏与/或3.x伏的电源轨供电。然而,在这些医疗物联网装置内部稳压後,电源轨的数量增加,但运作电压却不断下降。


因此,许多这些系统仍需要3.x伏、2.x伏、或1.x伏的电源轨来为包括低功耗的感测器、记忆体、微控制器核心、输入/输出、以及逻辑电路输送电力。然而,用来传送资料的内部功率放大器可能需要12伏的电源轨来搭配0.8安培的电流,才能把记录到的资料传送到远方的中控系统中。


传统上,这类12伏输电轨都透过升压交换式电压调整器来供电,用户需要具备专业的切换式电源供应器设计知识,而解决方案在印刷电路板(PCB)上也会占用可观的空间。


新款微型化升压式转换器

Analog Devices的μModule (微型模组) 产品是完整的 SiP 解决方案,除了缩短设计时间,还解决了工业与医疗系统常见的机板空间与密度问题。这些μModule产品本身是完整的电源管理解决方案,内含直流转直流控制器、功率电晶体、输入与输出电容、补偿元件、以及电感,全部嵌入在微型化的表面黏着BGA或LGA封装。采用ADI μModule产品进行设计的用户,将能缩减足够的时间,以在时限内完成设计程序,依照设计复杂度的不同,加快幅度最高可达50%。μModule系列将原本包括元件选择、优化、以及布线等这些设计上的重担,从设计者身上转移到元件上,进而缩短整体设计时间与系统除错工作,最终缩短产品上市时程。


此外,ADI的μModule解决方案整合了分离式电源、讯号链路、以及隔离式设计的各项关键元件,打造成一个轻巧且外型类似IC的规格。μModule背後有ADI严格的测试与高可靠度制程作为後盾,全产品系列简化电源转换器的设计与元件布局。


μModule系列产品能涵盖各种类型的应用,其中包括负载点稳压器、电池充电器、LED驱动晶片、电源系统管理 (PMBus 数位控制电源供应器)、隔离式转换器、电池充电器、以及LED驱动器。高度整合解决方案搭配PCB Gerber 档支援每种装置,μModule电源产品除了满足时间与空间方面的种种限制,还提供高效率、可靠、多样选择的产品,这些低EMI解决方案符合EN 55022 Class B 标准。


随着系统复杂度日增以及持续缩短的设计周期,导致设计资源日趋紧缩,而各界的焦点则落在开发系统的关键智财。这通常意谓在开发周期尾声才不再忽略电源供应器。面对有限时间、甚至有限的专业电源设计资源,业界面临的压力是必须采用高效率解决方案与最小的尺寸规格,同时运用PCB底面的资源,发挥最大的空间使用率。


在这方面μModule稳压器提供了一个理想的解答。其概念是内部复杂、外部简单 - 结合切换稳压器的效率,以及线性稳压器的设计简易性。包括审慎的设计、PCB布线、以及元件的选择,在设计切换式稳压器方面至关重要,许多有经验的设计者都曾在生涯早期经历过闻到电路板烧焦的历练。当时间很短,或是电源供应器的设计经验有限时,这些现成的μModule稳压器不仅省时还能降低风险。


ADI μModule系列最近的一个例子就是 LTM4661 同步升压μModule稳压器,它采用的是 6.25 mm × 6.25 mm × 2.42 mm的BGA封装。封装内还嵌入切换控制器、功率FET元件、电感、以及所有支援元件。在1.8伏到5.5输入电压范围内运作,它能调节与输出2.5伏至15伏的电压,只需调整一个外部电阻就能完成设定。所需要的只有一个降压输入以及输出电容。



图1 : 3.3 伏至5伏输入,提供12伏/800毫安培的输出,使用外部时脉
图1 : 3.3 伏至5伏输入,提供12伏/800毫安培的输出,使用外部时脉

LTM4661极具成效,在从3.3伏输入升压至12伏输出时,转换效率超过87%。叁见图2的效率曲线



图2 : LTM4661从3.3伏输出至5至15伏,其效率对比输出电流
图2 : LTM4661从3.3伏输出至5至15伏,其效率对比输出电流

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图3 显示LTM4661量测到的热温图,从3.3伏输入到800毫安培的12伏的直流电输出,使用200 LFM散热气流,没有装散热片


图3 : LTM4661的热影像:3.3伏输入到12伏输出,输出0.8安培电流,使用200 LFM散热气流,没有装散热片
图3 : LTM4661的热影像:3.3伏输入到12伏输出,输出0.8安培电流,使用200 LFM散热气流,没有装散热片

结论

物联网设备的部署在近几年来呈现了爆炸性的成长,同时也包括军事与工业应用领域的众多种类产品。新一波产品,包括装满大量感测器的医疗与科学仪器,已成为近几年来推动市场成长的主力,现在也开始看到大幅成长的迹象。在此同时,这些系统在空间与热设计方面的限制促成业者需要新等级的电源转换器,能提供兼具微型化、低发热、具空间效率、效能符合所需的元件,藉以为包括功率放大器等内部线路供应电力。此外,诸如近期所发表的LTM4661升压式μModule 稳压器,就能有效协助电源供应器设计者的工作。


最後,在这些种类的应用中运用μModule稳压器就是相当适合的方案,因为它们不仅大幅缩短除错时间,还能提高机板空间的使用率。如此一来,不光是基础设施成本,产品在生命周期内的总拥有成本也将可降低。


(本文作者Tony Armstrong任职於Analog Devices,Inc.公司)


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