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如何设计便携消费产品中的电源系统

上网日期: 2006年04月04日 ?? 作者: George Hall ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:便携消费产品? 消费电子? 电源系统? 电源设计?

对于非常有经验的电源工程师来讲,设计具有多电源电压的手持电池供电产品的电源系统也是一件棘手的事情。可以想象手中已有多个任务的数字工程师接受这样的任务时所面临的挑战。当焦虑逐步缓解之后,在到因特网上搜索现成的方案之前,遵循几条简单有效的指导原则使设计工作更轻松,产品开始生产之后也无需在浪费您宝贵的时间进行维护。

电池有效时间是关键的系统参数,因此详细了解产品的功率要求是首要的任务。通常,电源技术规范文档中隐含没有明说的条件使最后的设计提供的功率超过要求。除了增加系统成本,多余的电源部分可能浪费更多的功率,尤其是当电源接近放电时尤其如此。与系统工程师进行讨论,确保提出的最大电流符合现实情况,没有为个别部件增加超过公布的最大电流要求。

了解电源电压的加电要求。一种经常忽略的情况是假定使用多个供电电平(power rail)的复杂集成电路能够同时使用这些电平。为了保证工作正常必须正确地对电源电压进行排序,否则可能导致稳定性问题。

最好的系统功率效率从电源开始,尤其是有功部件分量。电源控制器的功耗通常都被明确指出,而部分传送系统功率的功率MOSFET和感应器或者变压器却没有尽可能地将功率传送到系统。磁部件和MOSFET制造商能够帮助您为应用目的选择适当的部件,为您提供适于设计的最高效的选择。请不要忘了电容器。将输出脉动和噪音降到最低,电容器最为关键。

系统为电源部分预留的空间问题很容易被忽略。要了解电源空间的所有尺寸的限制。根据需要或者在电路板的上面部分遇到尺寸限制时,各部件可以很轻易地安装到线路板的底部。通常来讲,电源部分位于一块多层单系统PCB上,使电源电路可以利用内部各层。利用无源部件供应商提供的多种尺寸的部件来实现紧凑式设计。

除了对敏感和有噪音电路的交互多加注意以外,印刷电路板的布局能够节省功率,降低多余的压降。印刷电路板在最后制作为PCB之前被完全镀铜,设计是否成功与此密切相关。请记住镀上的铜还作为电源系统中产生热量的部件的很好的散热板。

在开始布局之前,生成部件平面图帮助PCB设计人员了解电路板的布局。对散热和EMI的考虑与对减少EMI或者防止噪音交互一样重要。

对辐射(emission)的强调怎幺也不为过,否则您就会不符合相关机构的规定。电源产生相当多的辐射,磁部件的辐射最大。有时在不同线轴(BOBBIN)上生产的感应器的噪音更低,因此可能不需要使用隔离电感器。与磁部件供应商的交流时间绝对超值。PCB的接地层不仅能够使压降减小到最低,而且对防止或者限制辐射场起一定的作用。

寻找适于设计的控制器。使用单控制器或者双控制器可能使设计方案更便宜,但是却没有考虑到长期的系统升级或者设计和后续设计中的未知成本。具有最低限度修改或者升级灵活性的多信道控制器是一种好选择。当产品需要功能升级或者扩展时,提供现场可编程能力(field programmability)的控制器使设计能够进行修改。

典型的手持电源管理系统。(点击放大该图)

图的左边显示大多数产品需要的锂离子电池或者电源转换器的输入功率类型、电源管理器、输出功率要求、典型的系统和排序。因为电源管理器可以使用GUI软件通过I2C总线完全可编程和配置,因此如果系统模块改变了,电源管理器也可进行相应的改变。

高效开关式稳压器电压输出有7种,由下列部件组成:三个同步PWM降压变流器、一个可配置PWM升/降压变流器、两个PWM升压变流器、一个可配置PWM升压或反相变流器、一个低压降(LDO)线性稳压器、以及一个完全可编程1-cell锂离子电池充电器。

可编程线性1-cell锂离子电池充电器提供多种充电周期,其寄存器中存储所有有关电池充电算法的信息。可编程选项包括最后浮动电压、充电电流、预充电流、快充电压、快充电流、终止充电电流、OT/UT阀值和充电定时器。

设计的最后一个步骤为最坏情况热量和电气分析,这个过程能够尽可能减少field return。参与设计的各方应该都参与这个过程,以避免忽视任何潜在的设计缺陷。分析的发现结果可能要求对设计和布局进行部分修改,但应该在布局完成前及时进行。

设计人员应该做的事

  1. 完全了解系统功率预算。制作一个功率电压和每一个电源需要的最大电流的矩阵表。将最大电流乘以电源电压得到每个电源的最大功率。所有电源的功率之和除以目标效率就是电池必须提供的总输入功率。一个切实可行的设计需要对系统在所有条件下的总功率要求进行分析。例如,系统很有可能需要所有电源的最大电流持续一段时间,因此缩小某些部件在规范不严格时在这种情况下的压力。与此相反的情况就是电源超过设计要求;能够在没有同时供应全部功率的系统中持续一段时间可靠地提供所有的电源要求的设计可能使用过多的PCB空间,需要不必需的昂贵部件。选择的锂离子电池要具有小尺寸、高浮动电压和良好的安培小时指标。电池容量由充电前的目标使用时间决定,确保在计算中包括电源的低效之处。最好需要考虑的是电池的充电时间和在不影响电池可靠性或者使用寿命的情况下的快速充电能力。手持用户希望尽可能快地恢复其工作状态。

  2. 找出电源排序需要。对于复杂的集成电路,需要多个电源干线以一定的次序启动的情况相当普遍。不满足制造商的要求可能导致产品出现故障,甚至永远地损坏该产品。设计电源时还必须考虑单个电压的上升速度。上升速度太慢可能从电源电压吸取过多的电流,导致整个系统的供电失效。这些电源排序和电压转换速率方面的考虑也适用于系统中的各子系统在电源电压没有以正确的次序和转换速率打开时导致的灾难性后果。满足微处理器技术规范的电源排序经过细微的修改可能即满足其它系统排序的要求。

  3. 部件的选择必须考虑分配的PCB空间和在PCB上面和下面的高度限制。尽管一种部件可能在效率、可靠性和成本方面满足设计要求,却超出了电源的最大尺寸要求。一般要将PCB的底部用于安装尺寸适当的部件。电阻等无源部件在满足功率和电压指标的情况下尽可能选择小尺寸。与制造部门核对任何最小尺寸限制,否则可能限制或者影响自动化过程。感应器等磁部件具有各种尺寸,供空间有限的设计进行选择。部分电容器提供类似的各种尺寸,可用于优化设计。在考虑所有方面的同时,请注意在考虑其它尺寸大小是成本增加的问题。当选择独家生产的部件时,要确保从订货到交货的时间要充分。

  4. 印刷电路板的布局对获得最优电气性能至关重要,鼓励使用多层板以获得没有压降、EMI辐射以及噪音输出的紧凑的布局。多层板允许充分地使用接地层和电源层,易于对不同轨线(trace)进行布线。内层接地层允许从对噪音敏感的电路和部件的短连接。

    将电压参考旁路电容器放置在尽可能靠近电源控制器的位置。当需要外部振荡器部件时也要如此。环稳定补偿部件必须放置在反馈放大器管脚附近,远离高缘变化率门驱动信号。MOSFET的放置必须靠近控制器,防止在系列门电阻的值也为最小化时门过冲(gate overshoot)和振荡(ringing)。

  5. 从电源驱动电路(power train)部件开始进行实际最坏情况设计分析。这些部件通常是最昂贵的部件,如果性能不满足要求,也最有可能失效。虽然了解对系统电源的绝对最大要求非常关键,更重要的是要知道这些要求在产品的生命周期中是否会改变。允许在将来增加功率的电源设计是可靠的设计,但是没有必要让功率超出要求的设计。使用参数稍大的部件并不总是意味着在更大的物理尺寸,但是却总能保证系统的可靠性,并且又增加的余地。手持产品总是在增加功能,不可避免的就会增加功率。

设计人员不应该做的事

  1. 错误理解系统设计工程师规定的功率要求。许多要求可能基于某些系统状态条件,如果曲解了条件,可能导致设计小于要求。在开始设计之前,请仔细地查看技术规范,如果有模糊的地方,一定要在进行书面设计之前向规范作者澄清。尽管电源工程师通常与功率要求和修改保持一致,请记住电源并不是公司的主要业务,通常想当然地认为电源不是问题,或者与最终的产品相比较而毫不重要。

    对于电池供电的产品,了解在电池接近放电时哪些功能进入备用状态以及对电源设计的影响也非常重要。如果没有包括各种电池状态在内的设备操作流程图,请索要一份,或者自己画出来,并请系统架构师认可。

  2. 要等到分配给电源的空间完全确定时才能对图纸设计进行定稿。分配的空间信息通常是面积,但请不要忘记索取分配的确切的最大长度、宽度以及线路板周围的距离。紧凑的设计通常使用线路板的底部安装部件,这个尺寸和分配给电源的长度和宽度一样关键。如果在单板上设计电源系统,电源不太可能使用连接器,但请记住连接器通常占用宝贵的线路板空间。

  3. 忽视电源部件的隐含的低效情形。直观地看,体积更大的感应器并非总是带来较少的损耗。尽管铜损可能降低,而铁损则将由于来回运动造成更大的磁矩而增加。由于具有低RDS(ON)部件,MOSFET通常被忽略了门损(gate loss)。在低负荷时,门损站总体低效的重大比例,因此应当控制到最低。购买损耗低而且要求低选通电极充电(gate charge)的MOSFET。PCB迹线(PCB trace)应当尽可能短和宽,使压降最小。这就是多层之间增加铜来降低迹线电阻的原因。

  4. 将钱花在购买隔离电感器(shielded inductor)上,因为隔离电感器的精心放置可能防止噪音耦合到邻近电路,或者防止辐射问题,使系统满足辐射标准。大多数感应器都提供隔离型号和非隔离型号,并适用于同样的PCB占位面积,而体积并没有明显的增加。确保您在真正需要时才在设计中使用隔离电感器。不要使用电解电容。陶瓷电容器具有非常低的ESR和单位体积电容量,与钽电容相比较,应当尽量使用陶瓷电容器。

  5. 手持电池供电的产品需要多路电源以及某些进行充电和监控电池状态的方法。为每路电源使用单个控制器非常困难,这种方法比多信道控制器使用更多的空间。不要因为控制器是用于电池驱动的应用就假定控制器本身就省电。

选择信道尽可能多、具有您能够集成到单芯片中的功能的控制器,这样尽可能缩短设计时间和等待时间。可编程控制器或者具有可编程功能的控制器的运行更快,当市场要求您的产品提供更多功能时更易于修改。

作者:George Hall,Staff Engineer,Summit Microelectronics, Inc.






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