許多電路設計人員很清楚大功率處理器的熱管理問題,但可能沒有考慮電源的熱管理問題。與晶體管封裝的處理器本身不同,當低核心電壓需要高電流時,熱問題是不可避免的,這是所有數據處理系統電源的總體趨勢。
一、DC-DC轉換器要求概述:EMI、轉換比、尺寸和散熱考慮
通常,FPGA/SoC/微處理器需要多個電源軌,包括用于外設和輔助電源的5V、3.3V和1.8V,用于DDR4和LPDDR4的1.2V和1.1V,以及用于處理內核的0.8V。產生這些電源軌的DC-DC轉換器通常從電池或中間直流總線獲取12V或5V輸入。為了將這些源直流電壓降壓到處理器所需的低得多的電壓,自然會選擇開關模式降壓轉換器,因為它們在大降壓比時具有高效率。開關模式轉換器有數百種風格,但許多可以歸類為控制器(外部MOSFET)或單片穩壓器(內部MOSFET)。
二、傳統的控制器解決方案可能不符合要求
傳統的開關模式控制器IC驅動外部MOSFET,并具有外部反饋控制環路補償組件。由此產生的轉換器可以非常高效和通用,同時提供高功率,但所需分立元件的數量使設計相對復雜且難以優化。外部開關還可以限制開關速度,這在空間非常寶貴的情況下是一個問題,例如在汽車或航空電子環境中——因為較低的開關頻率會導致整個組件尺寸更大。
1.不要忽視最短的開啟和關閉時間
另一個重要的考慮因素是轉換器的最短導通和關斷時間,或其在足以從輸入降壓到輸出的占空比下運行的能力。降壓比越大,所需的最小導通時間越低(也取決于頻率)。同樣,最小關斷時間對應于壓差:在不再支持輸出之前輸入可以降到多低。雖然增加開關頻率有利于整體更小的解決方案,但最短的導通和關斷時間設定了工作頻率的上限??傊?,這些值越低,您在設計小尺寸和高功率密度方面的余地就越大。
2.注意真實的EMI性能
卓越的EMI性能對于與其他噪聲敏感設備的安全操作也是必不可少的。在工業、電信或汽車應用中,將EMI降至最低可能是電源設計的重要優先事項。為了使復雜的電子系統能夠協同工作,不會出現重疊EMI的問題,現在已經采用了嚴格的EMI標準,例如CISPR25和CISPR32輻射EMI規范。為滿足這些要求,傳統的電源方法通過減慢開關邊沿和降低開關頻率來降低EMI——前者導致較低的效率和更高的熱耗散,而后者導致較低的功率密度。
降低開關頻率也有違反CISPR25標準中530kHz至1.8MHzAM頻段EMI要求的風險??梢圆捎脵C械緩解技術來降低噪聲水平,包括復雜、笨重的EMI濾波器或金屬屏蔽,但這些技術會顯著增加成本和電路板空間、元件數量和組裝復雜性,同時進一步使熱管理和測試復雜化。這些策略都不能滿足緊湊尺寸、高效率和低EMI的要求。
3.減小尺寸,同時提高EMI和熱性能以及效率
很明顯,電源系統設計已經達到了一個復雜點,這給系統設計人員帶來了沉重的負擔。為了減輕這種負擔,一個好的策略是尋找具有同時解決許多問題的功能的電源IC解決方案:降低電路板的復雜性、高效運行、最小化散熱和產生低EMI。
以上就是英銳恩單片機開發工程師分享的“信號和數據處理電路的DC-DC轉換注意事項”。英銳恩專注單片機應用方案設計與開發,提供8位單片機、16位單片機、32位單片機。