电源管理：不仅仅是设计一个电源

作者：贸泽电子 Mark Patrick

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。

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％。

为了帮助基于TPSM82822的原型设计，现在可提供一个评估板TPSM82822EVM，见图2。

图2：德州仪器TPSM82822EVM评估板，用于带有集成电感器的高效降压转换器模块TPSM82822。（来源：德州仪器）

生产测试和检验中的挑战

许多常规开关转换器IC均采用行业标准QFN封装制造，尽管这是一种长期使用的便捷格式，但它并不适合汽车行业在组装过程中要求的外观检查技术，参见图3。从图中左侧、顶部和底部可以看出，标准QFN封装上的焊点往往位于器件下方PCB，不可见。从侧面只可以直接看到少量焊料，这对外观检查测试构成了挑战。下方组件是否已完全焊接或是否存在虚焊点（dry joints）？为了解决这种不确定性，德州仪器开发了一种增强型QFN封装，其中结合了从封装侧面雕刻的电镀腔，从而增加了可以目测检查的接头面积。这些“可粘锡侧面”（请参见右图3）能够提供一个更大，更易于观察的焊点，从而消除了有关器件是否已完全可靠地焊接到PCB的疑问。

图3：德州仪器 TPS62810汽车级降压转换器上的可粘锡侧面。 （来源：德州仪器）

满足安全电源设计认证要求

随着工业物联网应用和其他工厂自动化计划的部署，电子系统越来越多地用于工业和商业设备。由于某些工作环境可能包含危险或爆炸性的液体或气体，其中的设备需要符合强制的安全标准。对于电源工程师而言，这是一项技术挑战，因为电源转换过程通常会产生一定程度的热量，并且根据具体应用情况，电压可能在组件之间产生电弧，在故障条件下组件可能产生爆炸。

ATEX directive可最大程度地减少或消除危险环境中起火的风险。针对任何给定的气体、蒸气或薄雾的危险，可以根据三种不同的区域进行分类，在电源IC的环境下，可能的起火源被认为是电火花和高表面温度。例如，对于智能燃气表，根据包装尺寸的不同，允许的最高温度为244℃或275℃。设计采用间距较大且带引线的转换器IC，即使在潮湿环境中，也有助于降低电应力和产生火花的可能性。另一个要求是，可以选择高效散热的封装形式，从而避免设备达到最高允许温度。德州仪器的TPS62840采用高导热性能的HVSSOP-8封装，尺寸为3 x 5 mm。它使用粘合到IC基板的铜板，能够消散主体IC的所有热量，因此不会超过最高温度。

结论

电源管理是一个日新月异的领域，而功率是每个设计的核心，电源的配置以不影响具体应用的性能为最重要目标。在本文中，我们讨论了电源架构师和嵌入式系统设计工程师面临的一些挑战。