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物聯網系統需要高整合度微型電源轉換元件
[作者 Tony Armstrong]   2018年11月21日 星期三 瀏覽人次: [755]


在中低階電源領域中,對於電源轉換的需求並不高,像是物聯網(IoT)設備採用的電源轉換IC,便可用來處理中等位準的電流。這類電流通常在數百毫安培之間,但如果機板上有搭載電源放大器以用來傳送資料或視訊,由於必須應付尖峰電源需求,因此需要處理的電流就會拉高。此外,物聯網裝置採用的眾多無線感測器,促使業界對於高效率微型化電源轉換器的需求持續攀升,這類元件必須針對裝置的尺寸規格調整本身的尺寸與發熱量。


然而,有別於許多其他應用,一些工業與醫療產品通常對可靠度、尺寸規格、以及強固性會要求較高的標準。如各界所預期,設計工作大部分是電源系統以及相關的支援元件。工業甚至醫療物聯網產品必須在多個電源之間妥善運行與無縫切換,像是市電插座以及不斷電系統的電池備援電力。


此外,必須投入可觀的心力以防範各種電路故障,並盡可能提高以電池供電的運作時間,以確保不論是否有電源時,系統的正常運作都能維持可靠。因此這些系統的內部電源轉換架構必須強固、小巧,且盡可能減少對散熱片的需求。


電源供應器的設計考量因素

工業物聯網系統設計者,在面臨內建無線傳輸功能的系統時,對於採用線性穩壓器的作法並不會陌生,主要原因是如此能盡量減少電磁干擾與雜訊。不過,雖然交換式電壓調整器產生的雜訊會多過線性穩壓器,但在效率上卻遙遙領先。如果切換器的行為可以預測,在許多較為敏感的應用中,雜訊與電磁干擾值仍可維持在可控制的範圍內。


如果在正常模式下以固定的頻率切換穩壓器的開關,那麼切換的波形邊緣(switching edge)就不會有雜訊而且可預測,同時也不會有過衝或高頻率振鈴,那麼,電磁干擾就能減至最小。此外,小尺寸的封裝與高運作頻率能提供微型化的精小佈線,進而減少EMI幅射。此外,若穩壓器能搭配使用低等效串聯電阻(ESR)的陶瓷電容,經常對系統造成額外雜訊來源的輸入與輸出端電壓漣波就能減至最小。


現今工業與醫療物聯網裝置所使用的主輸入電源,會從外部交流轉直流轉換器與/或電池組,轉換成24伏或12伏的直流電。之後電壓還會利用同步降壓轉換器降至5伏與/或3.x伏的電源軌供電。然而,在這些醫療物聯網裝置內部穩壓後,電源軌的數量增加,但運作電壓卻不斷下降。


因此,許多這些系統仍需要3.x伏、2.x伏、或1.x伏的電源軌來為包括低功耗的感測器、記憶體、微控制器核心、輸入/輸出、以及邏輯電路輸送電力。然而,用來傳送資料的內部功率放大器可能需要12伏的電源軌來搭配0.8安培的電流,才能把記錄到的資料傳送到遠方的中控系統中。


傳統上,這類12伏輸電軌都透過升壓交換式電壓調整器來供電,用戶需要具備專業的切換式電源供應器設計知識,而解決方案在印刷電路板(PCB)上也會佔用可觀的空間。


新款微型化升壓式轉換器

Analog Devices的μModule (微型模組) 產品是完整的 SiP 解決方案,除了縮短設計時間,還解決了工業與醫療系統常見的機板空間與密度問題。這些μModule產品本身是完整的電源管理解決方案,內含直流轉直流控制器、功率電晶體、輸入與輸出電容、補償元件、以及電感,全部嵌入在微型化的表面黏著BGA或LGA封裝。採用ADI μModule產品進行設計的用戶,將能縮減足夠的時間,以在時限內完成設計程序,依照設計複雜度的不同,加快幅度最高可達50%。μModule系列將原本包括元件選擇、優化、以及佈線等這些設計上的重擔,從設計者身上轉移到元件上,進而縮短整體設計時間與系統除錯工作,最終縮短產品上市時程。


此外,ADI的μModule解決方案整合了分離式電源、訊號鏈路、以及隔離式設計的各項關鍵元件,打造成一個輕巧且外型類似IC的規格。μModule背後有ADI嚴格的測試與高可靠度製程作為後盾,全產品系列簡化電源轉換器的設計與元件佈局。


μModule系列產品能涵蓋各種類型的應用,其中包括負載點穩壓器、電池充電器、LED驅動晶片、電源系統管理 (PMBus 數位控制電源供應器)、隔離式轉換器、電池充電器、以及LED驅動器。高度整合解決方案搭配PCB Gerber 檔支援每種裝置,μModule電源產品除了滿足時間與空間方面的種種限制,還提供高效率、可靠、多樣選擇的產品,這些低EMI解決方案符合EN 55022 Class B 標準。


隨著系統複雜度日增以及持續縮短的設計週期,導致設計資源日趨緊縮,而各界的焦點則落在開發系統的關鍵智財。這通常意謂在開發週期尾聲才不再忽略電源供應器。面對有限時間、甚至有限的專業電源設計資源,業界面臨的壓力是必須採用高效率解決方案與最小的尺寸規格,同時運用PCB底面的資源,發揮最大的空間使用率。


在這方面μModule穩壓器提供了一個理想的解答。其概念是內部複雜、外部簡單 – 結合切換穩壓器的效率,以及線性穩壓器的設計簡易性。包括審慎的設計、PCB佈線、以及元件的選擇,在設計切換式穩壓器方面至關重要,許多有經驗的設計者都曾在生涯早期經歷過聞到電路板燒焦的歷練。當時間很短,或是電源供應器的設計經驗有限時,這些現成的μModule穩壓器不僅省時還能降低風險。


ADI μModule系列最近的一個例子就是 LTM4661 同步升壓μModule穩壓器,它採用的是 6.25 mm × 6.25 mm × 2.42 mm的BGA封裝。封裝內還嵌入切換控制器、功率FET元件、電感、以及所有支援元件。在1.8伏到5.5輸入電壓範圍內運作,它能調節與輸出2.5伏至15伏的電壓,只需調整一個外部電阻就能完成設定。所需要的只有一個降壓輸入以及輸出電容。



圖1 : 3.3 伏至5伏輸入,提供12伏/800毫安培的輸出,使用外部時脈
圖1 : 3.3 伏至5伏輸入,提供12伏/800毫安培的輸出,使用外部時脈

LTM4661極具成效,在從3.3伏輸入升壓至12伏輸出時,轉換效率超過87%。參見圖2的效率曲線



圖2 : LTM4661從3.3伏輸出至5至15伏,其效率對比輸出電流
圖2 : LTM4661從3.3伏輸出至5至15伏,其效率對比輸出電流

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圖3 顯示LTM4661量測到的熱溫圖,從3.3伏輸入到800毫安培的12伏的直流電輸出,使用200 LFM散熱氣流,沒有裝散熱片


圖3 : LTM4661的熱影像:3.3伏輸入到12伏輸出,輸出0.8安培電流,使用200 LFM散熱氣流,沒有裝散熱片
圖3 : LTM4661的熱影像:3.3伏輸入到12伏輸出,輸出0.8安培電流,使用200 LFM散熱氣流,沒有裝散熱片

結論

物聯網設備的部署在近幾年來呈現了爆炸性的成長,同時也包括軍事與工業應用領域的眾多種類產品。新一波產品,包括裝滿大量感測器的醫療與科學儀器,已成為近幾年來推動市場成長的主力,現在也開始看到大幅成長的跡象。在此同時,這些系統在空間與熱設計方面的限制促成業者需要新等級的電源轉換器,能提供兼具微型化、低發熱、具空間效率、效能符合所需的元件,藉以為包括功率放大器等內部線路供應電力。此外,諸如近期所發表的LTM4661升壓式μModule 穩壓器,就能有效協助電源供應器設計者的工作。


最後,在這些種類的應用中運用μModule穩壓器就是相當適合的方案,因為它們不僅大幅縮短除錯時間,還能提高機板空間的使用率。如此一來,不光是基礎設施成本,產品在生命週期內的總擁有成本也將可降低。


(本文作者Tony Armstrong任職於Analog Devices,Inc.公司)


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