IoT 系統需要高整合度和小尺寸電源轉換元件

背景資訊

在功率頻譜的中低端,存在著"物聯網"(IoT) 裝置中常見的適度電源轉換等要求,因而必需使用可處理中位準電流的電源轉換 IC。這些電流通常約為幾百毫安培,但是在內建功率放大器出於資料或視訊傳輸目的,而產生峰值功率需求時則會更高。因此,用於支援眾多 IoT 裝置的無線感測器之迅速普及增加了對於小巧和高效率電源轉換器的需求,此類電源轉換器是專門針對空間和散熱條件受限的裝置外形尺寸所量身定做。

然而,與許多其他應用不同的是,很多工業和醫療產品對於可靠性、外形尺寸和堅固性的標準通常高得多。如預期,設計負擔大部分落在電源系統及其相關的支援元件上。工業、甚至醫療 IoT 產品必須正常運行,並在交流電源主插座和備份電池等多種電源之間無縫切換。此外,還必須全力提供針對各種不同故障情況的保護,並且儘量延長依靠電池供電時的工作時間,確保無論接入哪種電源,都能實現可靠的正常系統操作。因此,這些系統中使用的內部電源轉換架構必需堅固、精小,而且僅需極少的散熱。

電源設計考慮因素

工業 IoT 系統設計人員在具備無線傳輸能力的系統中使用線性穩壓器的做法很常見。這麼做的主要原因是線性穩壓器能夠最大限度降低 EMI 和雜訊輻射。然而,儘管開關穩壓器產生的雜訊高於線性穩壓器,但是其效率指標要好得多。經證明,如果開關以可預知的方式運行,那麼許多敏感應用中的雜訊和 EMI 水準是非常容易管理。假如開關穩壓器在正常模式中以恒定頻率執行開關操作,而且開關邊緣是乾淨和可預知的 (沒有過沖或高頻振鈴),則可以最大限度抑制 EMI。而且,較小的封裝尺寸和高工作頻率能夠提供小巧的佈局,這可大幅降低 EMI 輻射。此外,倘若穩壓器可使用低 ESR 陶瓷電容器,則能盡可能地減小輸入和輸出電壓紋波,這些漣波是系統中的額外噪音源。

當今工業和醫療 IoT 裝置的主輸入電源通常是由外部 AC/DC 適配器和/或電池組提供的 24V 或 12V DC 電源。然後,採用同步降壓型轉換器將該電壓進一步降低至 5V 和/或 3.xV 電源軌。然而,這些醫療 IoT 裝置中的內部後置穩壓電源軌數目有所增加,而操作電壓則持續下降。所以,許多此類系統仍然需要用於為低功率感測器、記憶體、微控制器核心、I/O 和邏輯電路供電的 3.xV、2.xV 或 1.xV 電源軌。雖然如此,用於資料傳輸的內部功率放大器會需要一個 12V 電源軌和高達 0.8A 的電流能力,以將任何記錄資料傳輸至一個遠端中央平台。

傳統上,這個 12V 電源軌一直是由升壓型開關穩壓器提供,因而要求設計人員具備專門的開關模式電源設計知識,而且必需在印刷電路板 (PCB) 上留出較大的解決方案尺寸。

一款全新精小型升壓轉換器

Analog Devices 的 µModule® (微型模組) 產品是完整的系統級封裝 (SiP) 解決方案,可最大限度縮短設計階段,並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,其在精小的表面黏著型 BGA 或 LGA 封裝中內建了整合式 DC/DC 控制器、功率電晶體、輸入和輸出電容器、補償元件和電感器。在設計中採用 ADI 的 µModule 產品,最多可使完成設計過程所需的時間減少 50%,具體取決於設計的複雜程度。µModule 系列將元件選擇、優化和佈局的設計負擔從設計人員轉移到了元件上,從而縮短了整體設計階段和系統故障排除過程,最終加速產品上市。

此外,ADI 的 µModule 解決方案還將分立式電源、訊號鏈和隔離型設計中常用的主要元件集成在一個精小、外形尺寸類似 IC 的封裝內。在 ADI 嚴格的測試和高可靠性工藝的支援下,µModule 產品系列簡化了電源轉換設計方案的設計和佈局。

µModule 產品系列適用於眾多應用,包括負載點穩壓器、電池充電器、LED 驅動器、電源系統管理 (PMBus 數位控制式電源)、隔離型轉換器、電池充電器和 LED 驅動器。µModule 電源產品是高度整合的解決方案,可為每款元件提供 PCB Gerber 檔,因而能在滿足時間和空間限制條件的同時,打造一種高效可靠的解決方案,有些產品還可符合 EN55022 Class B 標準以實現低 EMI 要求。

由於設計資源在系統複雜性增加和設計週期縮短的情況下變得緊張,因此工作重點放在了系統關鍵智慧財產權的開發上。這通常意味著電源會被擱置在一邊,直到開發週期的後期才會予以考慮。由於留出的時間微乎其微,而且專業的電源設計資源可能十分有限,因此要開發出尺寸盡可能小的高效率解決方案,同時還要盡可能充分利用 PCB 背面的未用面積以實現最大的空間利用率,這導致了非常大的壓力。

μModule 穩壓器為此提供了一種理想的因應方案;其原理是"內繁外簡",兼具開關穩壓器高效率和線性穩壓器設計簡單的特點。在開關穩壓器的設計中,謹慎的設計、PCB 佈局和元件選擇是非常重要,許多經驗豐富的設計人員在職業生涯早期都曾遇到過電路板燃燒問題。在時間較短或電源設計經驗有限的情況下,現成的 μModule 穩壓器可節省時間並降低專案風險。

LTM4661 是 ADI 最新的 μModule 產品實例,該元件是採用 6.25mm x 6.25mm x 2.42mm BGA 封裝的同步升壓型 μModule 穩壓器。封裝中內建了開關控制器、功率 FET、電感器和所有的支援零組件。LTM4661 在 1.8V 至 5.5V 的輸入電壓範圍內運行,可調節 2.5V 至 15V (由單個外部電阻器設定) 的輸出電壓。僅需採用大容量的輸入和輸出電容器。

圖 1:從 3.3V 至 5V 輸入範圍,在高達 800mA 電流條件下提供 12V 輸出 (採用一個外部時脈)

LTM4661 是高效率元件,它在執行 3.3V 輸入至 12V 輸出的升壓轉換中能實現高於 87% 的效率。見下方圖 2 的效率曲線。

圖 2:LTM4661 從 3.3V 輸入至 5V~15V 輸出的轉換效率與輸出電流關係曲線

另外,圖 3 顯示了 LTM4661 在執行 3.3V 輸入至 12V 輸出 (800mA DC 電流) 轉換中的實測熱圖像 (具有 200LFM 氣流,無散熱片)。

圖 3:LTM4661 的熱圖像;3.3V 輸入至 12V 輸出 (在 0.8A),具有 200LFM 氣流,無散熱片

結論

IoT 裝置的部署近年來呈現爆炸性的成長趨勢,包括因應軍事和工業應用領域的眾多產品。近年來,包括大量使用感測器的醫療和科學儀錶在內的新一波產品已經成為主要的市場驅動因素,並且現在才開始出現顯著成長的跡象。與此同時,由於這些系統存在空間和熱設計限制,因此產生了對於新型電源轉換器的需求,此類轉換器應具備必要的性能指標,包括小巧、精小和高散熱效率的尺寸,以便為功率放大器等元件的內部電路供電。幸運的是,近期推出的 LTM4661 升壓型 µModule 穩壓器等元件可提升電源設計人員工作任務的效率。

最後,在此類環境中使用 µModule 穩壓器優勢明顯,因為它們能夠顯著地縮短調試時間並實現更高的電路板面積利用率。這就降低了基礎設施成本以及產品生命週期的擁有權總成本。