無論電子工程師正在設計什么類型的產(chǎn)品，電源管理已成為他們面臨最緊迫的一個挑戰(zhàn)，從設計電動汽車的單個電池組以便實現(xiàn)最大里程數(shù)，再到最小的電池供電 IoT 傳感器，通過延長電池壽命來維持工廠的運營效率，這些都至關重要。電源不再僅僅是必須設計的一組靜態(tài)電源軌，如今的電源架構師必須適應快速變化的負載條件，提供無瞬態(tài)的電源軌以達到嚴格的公差，并將所有設備都盡力納入到一個空間越來越受限制的外殼中。在本技術文章中，我們將重點介紹電源架構師面臨的一些重要挑戰(zhàn)，重點是管理轉(zhuǎn)換器噪聲、生產(chǎn)和認證挑戰(zhàn)，以及進一步縮小 PCB 尺寸的需求。
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(wǎng)供電、電感性電源、線路供電等，而且要考慮每個電源軌的規(guī)格。日益復雜的半導體創(chuàng)新創(chuàng)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(tài)和 EMI
瞬態(tài)可以通過多種來源出現(xiàn)在電源軌上。高 dv/dt 開關（例如在工業(yè)電機驅(qū)動器中使用的方法）是造成較大瞬態(tài)的通常原因。如果不經(jīng)由被動元件構成的濾波器抑制，這些瞬態(tài)可能會對開關晶體管及其相關的驅(qū)動器和電路造成永久性損害。許多電源使用諸如降壓（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(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。盡管這種電源轉(zhuǎn)換方法很流行、高效且經(jīng)過充分驗證，但開關過程本身會產(chǎn)生電磁干擾（EMI），并會感應到電源軌上輻射出去?？梢圆捎脗鹘y(tǒng)的濾波技術來處理電源軌上的開關瞬態(tài)，但是，正如我們即將討論的那樣，對于某些敏感的監(jiān)控應用，瞬態(tài)仍然會干擾電路的正常運行。輻射噪聲會帶來更高的電路設計復雜性和潛在的額外成本。例如，可能需要對轉(zhuǎn)換器電路周圍進行金屬或金屬箔屏蔽，從而需要額外的生產(chǎn)工藝，并使組件成本升高。許多開關穩(wěn)壓器 IC 具有 1.5～1.8MHz 的固定開關頻率，這是 AM 廣播無線電頻段的頂部，在汽車信息娛樂系統(tǒng)接收器等某些應用場景下，可能會帶來一些麻煩。而另一種方法則是選擇不太可能引起問題的器件開關頻率。
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 范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。它還可以從外部時鐘獲得開關頻率，并且可選地使用擴頻方法工作，轉(zhuǎn)換器頻率能夠在標稱開關頻率之上高達 288kHz 的范圍內(nèi)隨機變化。
即使采用了最佳的濾波技術，但是來自開關轉(zhuǎn)換器哪怕最小的干擾仍然會影響敏感的測量結果，例如在患者生命體征監(jiān)護儀，或者用于測試測量目的的應用都是這樣。適用于此類應用的一個很好器件是德州儀器 TPS62840，這是一款 1.8～6.5V，750 mA 降壓轉(zhuǎn)換器。該器件具有 60nA 的極低靜態(tài)電流，可通過使用 STOP 引腳暫時停止轉(zhuǎn)換器以消除任何開關噪聲。轉(zhuǎn)換器輸出端的保持電容器用于為具體應用供電，因而它能夠繼續(xù)工作而不受任何噪聲的影響（請參見圖 1）。該技術不僅可用于實現(xiàn)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(zhuǎn)換器的 STOP 功能說明。（來源：德州儀器）
縮小設計體積
能夠容納電子產(chǎn)品系統(tǒng)的可用空間正在不斷縮小，無論對于工業(yè)自動化設備，還是小巧的消費類電子產(chǎn)品來說，情況都是如此。工廠車間的占地面積非常寶貴，通常用于特定生產(chǎn)任務的所有控制設備都需要被壓縮到單個控制柜中。許多電源設計師和工程團隊都在考慮使用基于模塊的方法來配置電源。電子行業(yè)對于分立器件方案與模塊化方案并不陌生，當然電源管理也不例外。除了實現(xiàn)更高程度的功能集成外，模塊還具有縮短產(chǎn)品上市時間的優(yōu)勢，并消除了工程團隊內(nèi)部對越來越專業(yè)電源設計人員的需求以及所帶來的障礙。例如，DC-DC 轉(zhuǎn)換器長期以來一直是符合業(yè)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于將開關控制器 IC 集成到緊湊型模塊中，而且還集成了許多相關組件，并在組件 BOM 成本和散熱特性等方面都進行了優(yōu)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，并采用行業(yè)標準的 10 引腳 MicroSIP 封裝格式構建，這些同步脈寬調(diào)制（PWM）模式降壓轉(zhuǎn)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(tài)電流可低至 4μA。該模塊可容許 2.4～5.5VDC 的輸入電壓，并提供 0.6～4VDC 的可調(diào)輸出電壓，運行效率通常高達 95％。