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可方便移植 新一代电源模块有效简化电源设计

2015-07-17 15:27
天堂的苦涩
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  电源模块如何简化设计过程

  即使采用这些先进的同步降压IC,可靠的电源设计仍然面临诸多要求,需要克服许多困难。设计者必须评估输入电压、输出电压、负载电流、温度、抗噪性和/或辐射等。与开关电源设计相关的难题是外部元件选择、元件布局、PCB布局,以及控制问题,如电磁干扰(EMI)、射频干扰(RFI)和射频抗扰性(RFS)。如果有其中任何问题未解决,就可能引入噪声,进而耦合到供电电路或向外耦合。

  在选择分立电源的外部元件时,谨慎判断至关重要。例如,相同的电感可能具有不同的饱和电流,在快速瞬变引入大电流时发生故障。电感有不同形状,对指标的影响也不同,包括严格的磁心材料、线圈形状、绕线间隔、频率响应、直流电阻、品质因数(Q),以及是否屏蔽等。电感选择错误可能引起许多问题,例如不稳定、输入或输出产生尖峰脉冲。如果电感不满足系统的功率要求,甚至导致完全失效。如果电容选择不正确,其电容值可能随不同频率、电压和温度变化很大,从而造成不稳定。如果选择电源模块,部分外部元件已集成到模块内,可规避大量风险。实际上,现在可以集成从开关电源控制器到MOSFET功率开关、电感以及补偿、偏置所需的无源元件,只需4、5个外部元件即可保证正常工作。集成的所有元件都经过精挑细选,使设计工作没有一点儿疑虑;工程师只需选择合适的商用化电源模块。

  分立电源设计中,正确选择元件非常重要,但将其正确布置在IC附近同样重要,这就要求高水平的技巧和经验。设计者需要时刻注意大电流通路的长度和尺寸,关注高频节点,谨慎提防IC及输入电源的地回路。如果电感和电容离IC太远,会增大电流环路的寄生电容和电感,从而引发问题。(市场上的大多数模块采用屏蔽电感,这有助于减小与开关稳压器相关的EMI。)如果设计不正确,补偿和反馈电路也受地噪声的影响。将模块密封在密闭封装内有助于保护IC不受PCB布局的影响,而这类问题在分立电源设计中普遍存在。由于模块的焊接与标准IC类似,并且补偿电路、FET及电感全部位于内部,接地设计也有利于控制敏感器件附近的地电流。有利于保护电源电路不受接地反弹和其它系统噪声的影响(系统级噪声会注入到补偿电路),最终获得效率和可靠性更高的电源。

  越小越好

  除了克服设计可靠电源面临的众多障碍外,新一代电源模块还具有小尺寸带来的附加利益:尺寸远远小于使用PWM控制器的分立电源方案,甚至是内置FET的开关稳压器。多年以来,电源电路已经从需要所有外部元件的简单电源控制器(图3A)发展为IC集成电源转换器(使用外部电感,但附加外部元件较少) (图3B),进而发展到最新、更为紧凑的电源模块(图3C)。例如,喜马拉雅电源模块只需要很少的4、5个外部元件:输入电容、输出电容、两个设定输出电压的电阻,以及可能用于软启动的电容。图3所示为电源方案的演变过程,以及每种方案的外形尺寸。

图3.电源方案的演变过程

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