电源小型化

小型化一直是电子行业的一个热点,对电源尤其重要。电源的质量通常以单位体积的功率来衡量。本文讨论了一些有助于实现小型化电源设计的注意事项。

尽量减少外部元件数量

电源通常由至少一个半导体和若干无源外部元件(如电感器、电容器和几个电阻器)组成。将元件数量减少到如图1所示,是缩小整个电源尺寸的第一步。

图1. 经典式开关稳压器,带有一个半导体和若干无源元件。

如果需要其他功能(如可调输出电压或可调软启动时间),则无源元件的数量就会增加,从而使整个解决方案所需的空间增加。图1中的电路就是一个开关式降压变换器的例子,所需无源元件的数量已降至最少。

尽量减小外部元件尺寸

为了获得尽可能小的输出电容器和电感器尺寸,开关稳压器IC必须具有尽可能高的开关频率。输出电压的电压纹波基本上与外部元件的值和尺寸呈线性关系。例如,如果开关频率增加一倍,则实现相同输出电压纹波所需的电感值将减半。这样就可以减小设计尺寸。图2显示了 LTC3307A 开关稳压器的空间要求。由于开关频率高达3MHz,可以使用小的电感器。

图2. 输出电流为3 A的开关模式电压转换器的空间要求。

尽可能减小开关稳压器IC的尺寸

Analog Devices的LTC33xx平台由开关式降压变换器组成,变换时的开关频率高达5 MHz。通过LTC33xx平台为各种应用设计了专门的产品。 LTC3315A 已针对空间有限的应用进行了优化。它是一个双通道变换器,在尺寸仅为1.64 mm × 1.64 mm的晶圆级芯片规模封装(WLCSP)中,每个通道可提供2 A的输出电流。另外值得一提的是MAX77324。它是一个单通道降压开关稳压器,最大输出电流为1.5 A,外壳尺寸为1.22 mm×0.85 mm。图3显示了MAX77324封装尺寸。

图3. 一款采用极小封装的开关稳压器。

图4. 双降压稳压器IC的封装外形,尺寸为1.64 mm × 1.64 mm。

通过集成电感器减小尺寸

减小电源电路尺寸的另一种方法是将电感器与开关稳压器IC组合起来。这种组合称为模块。通过集成,让电感器放置在半导体IC上,从而有可能减小边缘长度。通过将模块中的电感器用作热导体和散热器,还可克服另一个小型化阻碍。将电感器适当地连接到电源模块内的芯片上,可以让半导体更好地散热。特别是对于有着高输出电流的小型开关稳压器IC,散热正成为一个越来越大的问题,因为芯片的使用温度不能超过最高允许工作温度。

使用创新技术来减小电源尺寸的方法有很多。这篇关于电源管理技巧的短文就介绍了其中一些方法。小型化带来了额外的间接优势。例如,由于电路板空间需求减小,成本降低,就有可能打造功能性更高的技术设备,从而带来更大的效益,由于电子设备更小、更轻,甚至还能降低运输成本。

作者

Frederik Dostal

Frederik Dostal

Frederik Dostal是一名拥有20多年行业经验的电源管理专家。他曾就读于德国埃尔兰根大学微电子学专业并于2001年加入National Semiconductor公司,担任现场应用工程师,帮助客户在项目中实施电源管理解决方案,积累了丰富的经验。在此期间,他还在美国亚利桑那州凤凰城工作了4年,担任应用工程师,负责开关模式电源产品。他于2009年加入ADI公司,先后担任多个产品线和欧洲技术支持职位,具备广泛的设计和应用知识,目前担任电源管理专家。Frederik在ADI的德国慕尼黑分公司工作。