使嵌入式系統(tǒng)中的DCDC電源設(shè)計更小的技巧

時間：2021-09-22 16:58:49

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[導(dǎo)讀]實(shí)現(xiàn)并減小我們PCB布局中，電源DCDC解決方案的尺寸是嵌入式系統(tǒng)工程師的首要任務(wù)之一，尤其是那些設(shè)計工業(yè)和通信設(shè)備（如無人機(jī)或路由器）的工程師。與幾年前發(fā)布的型號相比，目前可用的無人機(jī)更輕，機(jī)身更小，而路由器現(xiàn)在更便攜，更緊湊，內(nèi)置電源適配器。

1、前言

實(shí)現(xiàn)并減小我們PCB布局中，電源DCDC解決方案的尺寸是嵌入式系統(tǒng)工程師的首要任務(wù)之一，尤其是那些設(shè)計工業(yè)和通信設(shè)備（如無人機(jī)或路由器）的工程師。與幾年前發(fā)布的型號相比，目前可用的無人機(jī)更輕，機(jī)身更小，而路由器現(xiàn)在更便攜，更緊湊，內(nèi)置電源適配器。

隨著設(shè)備尺寸的縮小，工程師正在尋找縮小電源解決方案的方法。在這篇技術(shù)文章中，我將提供一些技巧來幫助我們縮小電源芯片設(shè)計，同時演示如何解決由此產(chǎn)生的熱性能挑戰(zhàn)。

2.選著合適的IC

減小解決方案尺寸的一種明顯方法是選擇較小封裝的集成電路 (IC)。小外形 (SO)-8 和小外形晶體管 (SOT)-23-6 封裝通常用于 12V 電壓軌 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。它們通常非常可靠。

但是，如果我們在一個每毫米都至關(guān)重要的行業(yè)（例如無人機(jī)市場）工作，我們可能正在尋找更小的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。SOT-563 封裝比 SOT-23-6 小幾乎 260%，比 SO-8 封裝小 700%。圖 1 比較了所有三種封裝的機(jī)械外形尺寸。

使嵌入式系統(tǒng)中的DCDC電源設(shè)計更小的技巧

圖 1：三種轉(zhuǎn)換器封裝的機(jī)械外形尺寸

除了選擇更小的封裝外，減小解決方案尺寸的另一種方法是減小輸出電感器和電容器。對于大多數(shù)應(yīng)用而言，電感的感值范圍是4.7uh~10uh，電感值的選擇一般要看紋波的大小來確定，一般要求紋波的電流應(yīng)低于平均電流的20%。為了保證輸出電壓的紋波，選擇輸出的電容值時，參考負(fù)載電流 1mA對應(yīng)1uF，所以選擇合適的電容值也非常重要，要在體積和紋波之間做一個平衡，但是電容器可施加的電壓及紋波電流必須在電容器的最大額定以下。

公式 1 和 2 計算輸出電感 (L OUT ) 和輸出電容 (C OUT )

使嵌入式系統(tǒng)中的DCDC電源設(shè)計更小的技巧

其中 r定義為電感電流紋波的比率，V RIPPLE是允許的最大峰峰值紋波電壓，f sw是轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。因?yàn)?/span>L OUT和C OUT都與f sw成反比，所以開關(guān)頻率越大，L OUT和C OUT越小。較小的電感或電容意味著工程師可以選擇較小尺寸的電感或電容器。具有較高 f sw 的轉(zhuǎn)換器可以使用這些較小的電感器和電容器。

3.解決熱性能問題

考慮到散熱路徑有限，較小的系統(tǒng)面臨更嚴(yán)重的熱性能問題。

為了有效解決任何可能的熱問題并實(shí)現(xiàn)更高的效率，我們可以應(yīng)用具有較低 R DS(on) 的轉(zhuǎn)換器開關(guān)。公式 3 計算 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的溫升：

使嵌入式系統(tǒng)中的DCDC電源設(shè)計更小的技巧

其中 P LOSS是轉(zhuǎn)換器的總功率損耗，R ΘJA是結(jié)到環(huán)境的熱阻。考慮一個 2A 負(fù)載轉(zhuǎn)換器，其平均 R DS(on)變化從 100 mΩ 到 50 mΩ。該器件的功率損耗將導(dǎo)致 200-mW 的降低，這將使熱阻為 80°C/W 的典型 SOT-563 電路板冷卻 16°C。因此，具有較低 R DS(on) 的轉(zhuǎn)換器可在較低溫度下提供更好的工作條件。

4.理論到實(shí)踐

現(xiàn)實(shí)設(shè)計中的嵌入式系統(tǒng)通常應(yīng)用多個降壓 DC/DC 電源芯片。圖 2 顯示了需要四個較低電壓軌的家用路由器功率級架構(gòu)的框圖。讓我們以在此類系統(tǒng)中應(yīng)用的三個典型器件來演示封裝尺寸和開關(guān)頻率如何影響電源芯片解決方案尺寸。

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圖 2：嵌入式系統(tǒng)的功率級架構(gòu)

該 TPS54228具有在SO-8封裝的700 kHz的頻率。該芯片TPS562201具有在SOT-23-6封裝的580 kHz的頻率，并且TPS562231具有一個SOT-563封裝中的850千赫的頻率。該TPS562231具有最高頻率和最小的IC封裝尺寸。此溶液尺寸為約比小142％TPS56221，以及比小227％TPS54228，如圖3所示。