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物聯網系統需要高集成度和小尺寸功率轉換器件

2021-02-07 15:42:04 來源:ADI
在功率譜的中低端存在一些不太大的功率轉換要求,這在物聯網(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換IC。電流通常在數百毫安范圍,但如果板載功率放大器為了傳輸數據或視頻而存在峰值功率需求,那么電流量可能更高。因此,隨著支持眾多物聯網器件的無線傳感器的激增,業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,許多工業和醫療產品對可靠性、尺寸和穩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及其相關支持器件上。工業甚至醫療物聯網產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,系統都能可靠地正常工作。因此,這些系統內部使用的功率轉換架構必須魯棒、緊湊且散熱需求極低。

電源設計的考慮

 
工業物聯網系統設計人員在集成無線傳輸功能的系統中使用線性穩壓器并不罕見。主要原因是其EMI和噪聲極低。盡管如此,雖然開關穩壓器產生的噪聲高于線性穩壓器,但前者的效率要優越得多。已經證明,如果開關穩壓器的行為可預測,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(這是系統中的額外噪聲源)可以最小化。

當今工業和醫療物聯網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換器進一步降低到5 V和/或3.x V電壓軌。盡管如此,經過這些醫療物聯網設備內部調節后的供電軌數量卻在增加,而工作電壓持續降低。因此,其中許多系統仍然需要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、微控制器內核、輸入/輸出和邏輯電路供電。然而,用于數據傳輸的內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,以將任何記錄的數據傳輸到遠程集中式集線器。

傳統上,該12 V電壓軌由升壓開關穩壓器提供,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。

新型緊湊式升壓轉換器

 
ADI公司的µModule®(微型模塊)產品是完整的系統化封裝(SiP)解決方案,可最大限度地縮短設計時間,解決工業和醫療系統中常見的電路板空間和密度問題。這些µModule產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、優化和布局等設計負擔從設計人員轉移到器件上,可縮短整體設計時間,減少系統故障,最終加快產品上市時間。

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產品系列簡化了功率轉換的設計和布局。

µModule系列產品涵蓋了廣泛的應用,包括終端負載穩壓器、電池充電器、LED驅動器、電源系統管理(PMBus數字管理電源)和隔離式轉換器。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關鍵知識產權的開發上。這常常意味著電源受到忽視,直到開發周期的后期才予以解決。由于時間很短,而且專業電源設計資源可能有限,因此需要開發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穩壓器為此提供了理想的答案。此概念內部復雜,但外部簡單——既有開關穩壓器的效率,又有線性穩壓器的易設計性。認真負責的設計、PCB布局和元件選擇對于開關穩壓器設計非常重要,很多經驗豐富的設計人員在職業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驗不足時,現成的µModule穩壓器可節省時間并降低風險。
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的輸入范圍內工作時,它可以提供2.5 V至15 V的穩壓輸出,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。

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。

 
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。

 
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,物聯網設備的部署爆炸式增長,其中包括各種用于軍事和工業應用領域的產品。新一波產品,包括裝有傳感器的醫療和科學儀器,一直是近年來市場的重要推動因素,現已開始出現顯著增長的跡象。與此同時,這些系統的空間和熱設計限制催生了一類新型功率轉換器,要求其實現小尺寸、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部電路供電。幸運的是,最近發布的LTM4661升壓型µModule穩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穩壓器是很有意義的,因為它能顯著縮短調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,以及產品生命周期的總擁有成本。


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