引言

 

電源架構師的作用在不斷變化。如今，有各種各樣的電源需求需要應對，不僅要考慮廣泛的可用能源

，例如太陽能、能量收集技術
、電池、以太網供電
、電感性電源
、線路供電等
，而且要考慮每個電源軌的規格。日益複雜的半導體創新創造了同樣多種多樣的功率預算需求
，從能量收集型超低功率無線SoC器件到針對計算密集型FPGA和推理處理器的大電流、排序多電源軌。

 

應對瞬態和EMI

 

瞬態可以通過多種來源出現在電源軌上。高dv/dt開關（例如在工業電機驅動器中使用的方法）是(shi)造(zao)成(cheng)較(jiao)大(da)瞬(shun)態(tai)的(de)通(tong)常(chang)原(yuan)因(yin)。如(ru)果(guo)不(bu)經(jing)由(you)被(bei)動(dong)元(yuan)件(jian)構(gou)成(cheng)的(de)濾(lv)波(bo)器(qi)抑(yi)製(zhi)，這(zhe)些(xie)瞬(shun)態(tai)可(ke)能(neng)會(hui)對(dui)開(kai)關(guan)晶(jing)體(ti)管(guan)及(ji)其(qi)相(xiang)關(guan)的(de)驅(qu)動(dong)器(qi)和(he)電(dian)路(lu)造(zao)成(cheng)永(yong)久(jiu)性(xing)損(sun)害(hai)。許(xu)多(duo)電(dian)源(yuan)使(shi)用(yong)諸(zhu)如(ru)降(jiang)壓(ya)（buck）、升壓（boost）或升降壓（buck-boost）之類的開關拓撲架構，將輸入電源轉換為所需的輸出電壓。盡管這種電源轉換方法很流行、高效且經過充分驗證，但開關過程本身會產生電磁幹擾（EMI）
，並(bing)會(hui)感(gan)應(ying)到(dao)電(dian)源(yuan)軌(gui)上(shang)輻(fu)射(she)出(chu)去(qu)。可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)傳(chuan)統(tong)的(de)濾(lv)波(bo)技(ji)術(shu)來(lai)處(chu)理(li)電(dian)源(yuan)軌(gui)上(shang)的(de)開(kai)關(guan)瞬(shun)態(tai)，但(dan)是(shi)，正(zheng)如(ru)我(wo)們(men)即(ji)將(jiang)討(tao)論(lun)的(de)那(na)樣(yang)，對(dui)於(yu)某(mou)些(xie)敏(min)感(gan)的(de)監(jian)控(kong)應(ying)用(yong)，瞬(shun)態(tai)仍(reng)然(ran)會(hui)幹(gan)擾(rao)電(dian)路(lu)的(de)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)。輻(fu)射(she)噪(zao)聲(sheng)會(hui)帶(dai)來(lai)更(geng)高(gao)的(de)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)複(fu)雜(za)性(xing)和(he)潛(qian)在(zai)的(de)額(e)外(wai)成(cheng)本(ben)。例(li)如(ru)
，可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)對(dui)轉(zhuan)換(huan)器(qi)電(dian)路(lu)周(zhou)圍(wei)進(jin)行(xing)金(jin)屬(shu)或(huo)金(jin)屬(shu)箔(bo)屏(ping)蔽(bi)，從(cong)而(er)需(xu)要(yao)額(e)外(wai)的(de)生(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)
，並(bing)使(shi)組(zu)件(jian)成(cheng)本(ben)升(sheng)高(gao)。許(xu)多(duo)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)IC具有1.5～1.8MHz的固定開關頻率，這是AM廣(guang)播(bo)無(wu)線(xian)電(dian)頻(pin)段(duan)的(de)頂(ding)部(bu)
，在(zai)汽(qi)車(che)信(xin)息(xi)娛(yu)樂(le)係(xi)統(tong)接(jie)收(shou)器(qi)等(deng)某(mou)些(xie)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)下(xia)

，可(ke)能(neng)會(hui)帶(dai)來(lai)一(yi)些(xie)麻(ma)煩(fan)。而(er)另(ling)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)則(ze)是(shi)選(xuan)擇(ze)不(bu)太(tai)可(ke)能(neng)引(yin)起(qi)問(wen)題(ti)的(de)器(qi)件(jian)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)。

 

這樣的一個例子是.德州儀器（TI）TPS6281x-Q1.。該款符合AEC-Q100標準的汽車級器件默認開關頻率為2.25MHz
，通過使用一個電阻器可以在1.8～4.0MHz範圍內進行調節。它還可以從外部時鍾獲得開關頻率，並且可選地使用擴頻方法工作，轉換器頻率能夠在標稱開關頻率之上高達288kHz的範圍內隨機變化。

 

jishicaiyonglezuijiadelvbojishu，danshilaizikaiguanzhuanhuanqinapazuixiaodeganraorengranhuiyingxiangmingandeceliangjieguo，liruzaihuanzheshengmingtizhengjianhuyi
，huozheyongyuceshiceliangmudedeyingyongdoushizheyang。shiyongyucileiyingyongdeyigehenhaoqijianshidezhouyiqiTPS62840，這是一款1.8～6.5V，750 mA降壓轉換器。該器件具有60nA的極低靜態電流，可通過使用STOP引yin腳jiao暫zan時shi停ting止zhi轉zhuan換huan器qi以yi消xiao除chu任ren何he開kai關guan噪zao聲sheng。轉zhuan換huan器qi輸shu出chu端duan的de保bao持chi電dian容rong器qi用yong於yu為wei具ju體ti應ying用yong供gong電dian，因yin而er它ta能neng夠gou繼ji續xu工gong作zuo而er不bu受shou任ren何he噪zao聲sheng的de影ying響xiang（請參見圖1）。該技術不僅可用於實現靈敏的測量功能，而且可以在無線鏈路條件為邊際（marginal）時改善信噪比。

 

圖1：德州儀器TPS62840降壓轉換器的STOP功能說明。（來源：德州儀器）

 

縮小設計體積

 

nenggourongnadianzichanpinxitongdekeyongkongjianzhengzaibuduansuoxiao

，wulunduiyugongyezidonghuashebei
，haishixiaoqiaodexiaofeileidianzichanpinlaishuo
，qingkuangdoushiruci。gongchangchejiandezhandimianjifeichangbaogui，tongchangyongyutedingshengchanrenwudesuoyoukongzhishebeidouxuyaobeiyasuodaodangekongzhiguizhong。xuduodianyuanshejishihegongchengtuanduidouzaikaolvshiyongjiyumokuaidefangfalaipeizhidianyuan。dianzixingyeduiyufenliqijianfanganyumokuaihuafanganbingbumosheng，dangrandianyuanguanliyebuliwai。chuleshixiangenggaochengdudegongnengjichengwai，mokuaihaijuyousuoduanchanpinshangshishijiandeyoushi，bingxiaochulegongchengtuanduineibuduiyuelaiyuezhuanyedianyuanshejirenyuandexuqiuyijisuodailaidezhangai。liru，DC-DC轉換器長期以來一直是符合業界標準尺寸的密集封裝器件
，電源模塊設計工程師不僅擅長於將開關控製器IC集成到緊湊型模塊中

，而且還集成了許多相關組件，並在組件BOM成本和散熱特性等方麵都進行了優化。德州儀器通過在設計中將更大的元件之一（電感器）集成到模塊，從而使這一概念更進一步。TPSM82822模塊的尺寸僅為2.0 x 2.5 x 1.1 mm，並采用行業標準的10引腳MicroSIP封裝格式構建

，這些同步脈寬調製（PWM）模式降壓轉換器可提供1A和2A版本
，具有省電模式以提高輕載效率，典型靜態電流可低至4µA。該模塊可容許2.4～5.5VDC的輸入電壓，並提供0.6～4VDC的可調輸出電壓

，運行效率通常高達95％。

 

為了幫助基於TPSM82822的原型設計，現在可提供一個評估板TPSM82822EVM，見圖2。

 

圖2：德州儀器TPSM82822EVM評估板，用於帶有集成電感器的高效降壓轉換器模塊TPSM82822。（來源：德州儀器）

 

生產測試和檢驗中的挑戰

 

許多常規開關轉換器IC均采用行業標準QFN封裝製造，盡管這是一種長期使用的便捷格式
，但它並不適合汽車行業在組裝過程中要求的外觀檢查技術
，參見圖3。從圖中左側
、頂部和底部可以看出
，標準QFN封裝上的焊點往往位於器件下方PCB，不可見。從側麵隻可以直接看到少量焊料
，這對外觀檢查測試構成了挑戰。下方組件是否已完全焊接或是否存在虛焊點（dry joints）？為了解決這種不確定性
，德州儀器開發了一種增強型QFN封裝，其中結合了從封裝側麵雕刻的電鍍腔
，從而增加了可以目測檢查的接頭麵積。這些“可粘錫側麵”（請參見右圖3）能夠提供一個更大，更易於觀察的焊點，從而消除了有關器件是否已完全可靠地焊接到PCB的疑問。

 

圖3：德州儀器 TPS62810汽車級降壓轉換器上的可粘錫側麵。（來源：德州儀器）

 

滿足安全電源設計認證要求

 

隨(sui)著(zhe)工(gong)業(ye)物(wu)聯(lian)網(wang)應(ying)用(yong)和(he)其(qi)他(ta)工(gong)廠(chang)自(zi)動(dong)化(hua)計(ji)劃(hua)的(de)部(bu)署(shu)，電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)地(di)用(yong)於(yu)工(gong)業(ye)和(he)商(shang)業(ye)設(she)備(bei)。由(you)於(yu)某(mou)些(xie)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)可(ke)能(neng)包(bao)含(han)危(wei)險(xian)或(huo)爆(bao)炸(zha)性(xing)的(de)液(ye)體(ti)或(huo)氣(qi)體(ti)，其(qi)中(zhong)的(de)設(she)備(bei)需(xu)要(yao)符(fu)合(he)強(qiang)製(zhi)的(de)安(an)全(quan)標(biao)準(zhun)。對(dui)於(yu)電(dian)源(yuan)工(gong)程(cheng)師(shi)而(er)言(yan)
，這(zhe)是(shi)一(yi)項(xiang)技(ji)術(shu)挑(tiao)戰(zhan)
，因(yin)為(wei)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)過(guo)程(cheng)通(tong)常(chang)會(hui)產(chan)生(sheng)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)的(de)熱(re)量(liang)，並(bing)且(qie)根(gen)據(ju)具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)情(qing)況(kuang)，電(dian)壓(ya)可(ke)能(neng)在(zai)組(zu)件(jian)之(zhi)間(jian)產(chan)生(sheng)電(dian)弧(hu)，在(zai)故(gu)障(zhang)條(tiao)件(jian)下(xia)組(zu)件(jian)可(ke)能(neng)產(chan)生(sheng)爆(bao)炸(zha)。

 

ATEX directive可最大程度地減少或消除危險環境中起火的風險。針對任何給定的氣體、蒸氣或薄霧的危險，可以根據三種不同的區域進行分類，在電源IC的環境下
，可能的起火源被認為是電火花和高表麵溫度。例如，對於智能燃氣表，根據包裝尺寸的不同，允許的最高溫度為244℃或275℃。設計采用間距較大且帶引線的轉換器IC，即(ji)使(shi)在(zai)潮(chao)濕(shi)環(huan)境(jing)中(zhong)，也(ye)有(you)助(zhu)於(yu)降(jiang)低(di)電(dian)應(ying)力(li)和(he)產(chan)生(sheng)火(huo)花(hua)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)。另(ling)一(yi)個(ge)要(yao)求(qiu)是(shi)，可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)高(gao)效(xiao)散(san)熱(re)的(de)封(feng)裝(zhuang)形(xing)式(shi)

，從(cong)而(er)避(bi)免(mian)設(she)備(bei)達(da)到(dao)最(zui)高(gao)允(yun)許(xu)溫(wen)度(du)。德(de)州(zhou)儀(yi)器(qi)的(de)TPS62840采用高導熱性能的HVSSOP-8封裝
，尺寸為3 x 5 mm。它使用粘合到IC基板的銅板，能夠消散主體IC的所有熱量
，因此不會超過最高溫度。

 

結論

 

dianyuanguanlishiyigerixinyueyidelingyu
，ergonglvshimeigeshejidehexin，dianyuandepeizhiyibuyingxiangjutiyingyongdexingnengweizuizhongyaomubiao。zaibenwenzhong，womentaolunledianyuanjiagoushiheqianrushixitongshejigongchengshimianlindeyixietiaozhan。ninkeyizaizhelizhayueyouguandezhouyiqixiliedianyuanzhuanhuanIC的更多信息。

 

 

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