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电源管理:不仅仅是设计一个电源

2020-06-03
来源:与非网

无论电子工程师正在设计什么类型的产品,电源管理已成为他们面临最紧迫的一个挑战,从设计电动汽车的单个电池组以便实现最大里程数,再到最小的电池供电 IoT 传感器,通过延长电池寿命来维持工厂的运营效率,这些都至关重要。电源不再仅仅是必须设计的一组静态电源轨,如今的电源架构师必须适应快速变化的负载条件,提供无瞬态的电源轨以达到严格的公差,并将所有设备都尽力纳入到一个空间越来越受限制的外壳中。在本技术文章中,我们将重点介绍电源架构师面临的一些重要挑战,重点是管理转换器噪声、生产和认证挑战,以及进一步缩小 PCB 尺寸的需求。

 

引言

电源架构师的作用在不断变化。如今,有各种各样的电源需求需要应对,不仅要考虑广泛的可用能源,例如太阳能、能量收集技术、电池、以太网供电、电感性电源、线路供电等,而且要考虑每个电源轨的规格。日益复杂的半导体创新创造了同样多种多样的功率预算需求,从能量收集型超低功率无线 SoC 器件到针对计算密集型 FPGA 和推理处理器的大电流、排序多电源轨。

 

应对瞬态和 EMI

瞬态可以通过多种来源出现在电源轨上。高 dv/dt 开关(例如在工业电机驱动器中使用的方法)是造成较大瞬态的通常原因。如果不经由被动元件构成的滤波器抑制,这些瞬态可能会对开关晶体管及其相关的驱动器和电路造成永久性损害。许多电源使用诸如降压(buck)、升压(boost)或升降压(buck-boost)之类的开关拓扑架构,将输入电源转换为所需的输出电压。尽管这种电源转换方法很流行、高效且经过充分验证,但开关过程本身会产生电磁干扰(EMI),并会感应到电源轨上辐射出去。可以采用传统的滤波技术来处理电源轨上的开关瞬态,但是,正如我们即将讨论的那样,对于某些敏感的监控应用,瞬态仍然会干扰电路的正常运行。辐射噪声会带来更高的电路设计复杂性和潜在的额外成本。例如,可能需要对转换器电路周围进行金属或金属箔屏蔽,从而需要额外的生产工艺,并使组件成本升高。许多开关稳压器 IC 具有 1.5~1.8MHz 的固定开关频率,这是 AM 广播无线电频段的顶部,在汽车信息娱乐系统接收器等某些应用场景下,可能会带来一些麻烦。而另一种方法则是选择不太可能引起问题的器件开关频率。

 

这样的一个例子是 . 德州仪器(TI)TPS6281x-Q1.。该款符合 AEC-Q100 标准的汽车级器件默认开关频率为 2.25MHz,通过使用一个电阻器可以在 1.8~4.0MHz 范围内进行调节。它还可以从外部时钟获得开关频率,并且可选地使用扩频方法工作,转换器频率能够在标称开关频率之上高达 288kHz 的范围内随机变化。

 

即使采用了最佳的滤波技术,但是来自开关转换器哪怕最小的干扰仍然会影响敏感的测量结果,例如在患者生命体征监护仪,或者用于测试测量目的的应用都是这样。适用于此类应用的一个很好器件是德州仪器 TPS62840,这是一款 1.8~6.5V,750 mA 降压转换器。该器件具有 60nA 的极低静态电流,可通过使用 STOP 引脚暂时停止转换器以消除任何开关噪声。转换器输出端的保持电容器用于为具体应用供电,因而它能够继续工作而不受任何噪声的影响(请参见图 1)。该技术不仅可用于实现灵敏的测量功能,而且可以在无线链路条件为边际(marginal)时改善信噪比。

 

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图 1:德州仪器 TPS62840 降压转换器的 STOP 功能说明。(来源:德州仪器)

 

缩小设计体积

能够容纳电子产品系统的可用空间正在不断缩小,无论对于工业自动化设备,还是小巧的消费类电子产品来说,情况都是如此。工厂车间的占地面积非常宝贵,通常用于特定生产任务的所有控制设备都需要被压缩到单个控制柜中。许多电源设计师和工程团队都在考虑使用基于模块的方法来配置电源。电子行业对于分立器件方案与模块化方案并不陌生,当然电源管理也不例外。除了实现更高程度的功能集成外,模块还具有缩短产品上市时间的优势,并消除了工程团队内部对越来越专业电源设计人员的需求以及所带来的障碍。例如,DC-DC 转换器长期以来一直是符合业界标准尺寸的密集封装器件,电源模块设计工程师不仅擅长于将开关控制器 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 成本和散热特性等方面都进行了优化。德州仪器通过在设计中将更大的元件之一(电感器)集成到模块,从而使这一概念更进一步。TPSM82822 模块的尺寸仅为 2.0 x 2.5 x 1.1 mm,并采用行业标准的 10 引脚 MicroSIP 封装格式构建,这些同步脉宽调制(PWM)模式降压转换器可提供 1A 和 2A 版本,具有省电模式以提高轻载效率,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,并提供 0.6~4VDC 的可调输出电压,运行效率通常高达 95%。


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