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物联网系统需要高集成度和小尺寸功率转换器件

  Tony Armstrong ADI 公司

  在功率谱的中低端存在一些不太大的功率转换要求,这在物联网(IoT)设备之类的应用中很常见。这些应用需要使用能够处理适度电流水平的功率转换IC。电流通常在数百毫安范围,但如果板载功率放大器为了传输数据或视频而存在峰值功率需求,那么电流量可能更高。因此,随着支持众多物联网器件的无线传感器的激增,业界对专门用于空间和散热受限器件的小型、紧凑、高效功率转换器的需求在不断增加。

  然而,与其他很多应用不同,许多工业和医疗产品对可靠性、尺寸和稳健性通常有着更高的标准。正如大家所料,相当部分的设计负担落在了功率系统及其相关支持器件上。工业甚至医疗物联网产品必须正常运行并在多个电源(如交流电源插座和备用电池)之间无缝切换。此外,必须竭尽全力防止故障,同时在由电池供电时须最大程度延长工作时间,以确保无论存在什么电源,系统都能可靠地正常工作。因此,这些系统内部使用的功率转换架构必须鲁棒、紧凑且散热需求极低。

  电源设计的考虑

  工业物联网系统设计人员在集成无线传输功能的系统中使用线性稳压器并不罕见。主要原因是其EMI和噪声极低。尽管如此,虽然开关稳压器产生的噪声高于线性稳压器,但前者的效率要优越得多。已经证明,如果开关稳压器的行为可预测,那么许多敏感应用中的噪声和EMI水平是可管理的。如果开关稳压器在正常模式下以恒定频率开关,并且开关边沿干净、可预测且没有过冲或高频振铃,那么EMI将极小。此外,小封装尺寸和高工作频率可以提供小而紧凑的布局,从而最大限度地降低EMI辐射。而且,如果稳压器可以与低ESR陶瓷型电容一起使用,则输入和输出电压纹波(这是系统中的额外噪声源)可以最小化。

  当今工业和医疗物联网设备的主输入电源通常是来自外部AC-DC适配器和/或电池组的24 V或12 V直流电源。然后,此电压通过同步降压转换器进一步降低到5 V和/或3.x V电压轨。尽管如此,经过这些医疗物联网设备内部调节后的供电轨数量却在增加,而工作电压持续降低。因此,其中许多系统仍然需要3.x V、2.x V或1.x V电压轨,用于为低功耗传感器、存储器、微控制器内核、输入/输出和逻辑电路供电。然而,用于数据传输的内部功率放大器可能需要最高0.8 A电流能力的12 V电压轨,以将任何记录的数据传输到远程集中式集线器。

  传统上,该12 V电压轨由升压开关稳压器提供,需要专门的开关模式电源设计知识和技能,并且占用印刷电路板(PCB)上相当大的面积。

  新型紧凑式升压转换器

  ADI公司的µModule®(微型模块)产品是完整的系统化封装(SiP)解决方案,可最大限度地缩短设计时间,解决工业和医疗系统中常见的电路板空间和密度问题。这些µModule产品是完整的电源管理解决方案,在紧凑型表贴BGA或LGA封装内集成DC-DC控制器、功率晶体管、输入和输出电容、补偿组件和电感。利用ADI公司µModule产品进行设计可以将完成设计过程所需的时间减少多达50%,具体取决于设计的复杂程度。µModule系列将元件选型、优化和布局等设计负担从设计人员转移到器件上,可缩短整体设计时间,减少系统故障,最终加快产品上市时间。

  此外,ADI公司的µModule解决方案将分立式电源、信号链和隔离设计中常用的关键元件集成在紧凑的IC式外形尺寸中。在ADI公司严格的测试和高可靠性流程的支持下,µModule产品系列简化了功率转换的设计和布局。

  µModule系列产品涵盖了广泛的应用,包括终端负载稳压器、电池充电器、LED驱动器、电源系统管理(PMBus数字管理电源)和隔离式转换器。作为高集成度解决方案且每个器件都提供PCB Gerber文件,µModule电源产品可在满足时间和空间限制的同时提供高效率、高可靠性,某些产品还提供符合EN 55022 B类标准的低EMI解决方案。

  随着设计资源因为系统复杂性的提高和设计周期的缩短而变得紧张,关注重点落在了系统关键知识产权的开发上。这常常意味着电源受到忽视,直到开发周期的后期才予以解决。由于时间很短,而且专业电源设计资源可能有限,因此需要开发出尺寸尽可能小的高效率解决方案,同时可能要对PCB的反面加以运用,使空间利用率最大化。

  µModule稳压器为此提供了理想的答案。此概念内部复杂,但外部简单——既有开关稳压器的效率,又有线性稳压器的易设计性。认真负责的设计、PCB布局和元件选择对于开关稳压器设计非常重要,很多经验丰富的设计人员在职业生涯的早期闻到了电路板燃烧的独特香味。当时间短或电源设计经验不足时,现成的µModule稳压器可节省时间并降低风险。

  ADI公司µModule系列最近的一个实例是LTM4661同步升压µModule稳压器,其采用6.25 mm×6.25 mm×2.42 mm BGA封装。封装中包含开关控制器、功率FET、电感和所有支持元件。在1.8 V至5.5 V的输入范围内工作时,它可以提供2.5 V至15 V的稳压输出,输出电压通过单个外部电阻设置。只需要一个输入和输出体电容。

  

  图1. 3.3 V至5 V输入,提供最高800 mA的12 V电压,采用外部时钟

  LTM4661效率很高,从3.3 V输入升压至12 V输出时,效率高于87%。效率曲线参见图2。

  

  图2. LTM4661的效率与输出电流的关系,从3.3 V输入升压为5 V至15 V输出。

  图3显示了LTM4661的实测热图像:3.3 V输入,12 V、800 mA直流输出,200 LFM气流,无散热器。

  

  图3. LTM4661的热图像:3.3 V输入,12 V、0.8 A输出,200 LFM气流,无散热器。

  结论

  近年来,物联网设备的部署爆炸式增长,其中包括各种用于军事和工业应用领域的产品。新一波产品,包括装有传感器的医疗和科学仪器,一直是近年来市场的重要推动因素,现已开始出现显著增长的迹象。与此同时,这些系统的空间和热设计限制催生了一类新型功率转换器,要求其实现小尺寸、紧凑且热效率高的必要性能指标,以为诸如功率放大器等内部电路供电。幸运的是,最近发布的LTM4661升压型µModule稳压器之类的器件简化了电源设计人员的工作。

  最后,在此类应用中使用µModule稳压器是很有意义的,因为它能显著缩短调试时间并提高电路板面积利用率。由此将能降低基础设施成本,以及产品生命周期的总拥有成本。

  作者简介

  Tony Armstrong是ADI公司Power by Linear部门的营销总监,于2000年5月加入公司。他负责电源转换和管理产品方面从概念到停产的所有事情。加入凌力尔特(现为ADI公司一部分)之前,Tony在Siliconix Inc.、Semtech Corp.、Fairchild Semiconductors和Intel Corp.(欧洲)担任过营销、销售和运营方面的不同职位。他于1981年在英国曼彻斯特大学获得应用数学学士学位。联系方式: [email protected]

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