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打破零組件越少越好的設計迷思

上網時間: 2007年05月18日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電源設計  交換式穩壓器  頻率  在線設計工具  power supply 

是什麼因素簡化了電源管理IC的設計?我經常聽到有人說整合度和零組件數量是決定性因素。“……這種IC的週邊零組件數量更少,所以易於設計。”我同意,有時這是正確的,但並非總是正確。工程師應該考慮從設計、實施到將電源投入量產的整個流程。

當我們討論這些幾乎與所有電子系統都相關的因素時,我可以證明,正確的說法只能是‘適當的’外部零組件數量才能使電源設計起來更加容易。

讓我們從‘為數位IC供電,是DC-DC電源管理最常見的應用’這點開始討論。隨著數位技術的不斷發展,電源的設計和生產變得越來越複雜。例如,穩壓誤差範圍變得越來越微小,而且經常在終端系統開發的後期才被確定。所以,可調節的輸出電壓(需要2個外部電阻)經常在設計最後階段幫助設計人員擺脫困境,因為通常此時他們才會意識到,在低供給電壓範圍上執行IC才能降低功耗。採用外部反饋電阻就可實現調節。若系統設計人員選擇在供給電壓範圍的較低處執行數位IC,且數位IC的負載為動態變化的載荷(實際上大多數數位IC都是如此),則進行外部補償將使系統設計人員得以調節迴路響應,確保處理器的供給電壓永遠不會低於允許的範圍。

我們現在再考慮設計人員所面對的尺寸限制問題。由於系統功能不斷增加,而其外形尺寸卻沒有增大,因此,尺寸問題變得越來越棘手。初學者可能會認為,較少的零組件數量只能實現小方案,但通常並非如此。如果系統設計人員想為每個電源選擇能提供合適輸出電流並工作在合適輸入電壓範圍內的最高工作頻率、以及高整合度的電源管理IC,則選好元件後,也許設計人員能輕鬆地進行小型電源設計。

無疑地,設計人員將很難找到許多能滿足上述要求的IC。而更困難的是,如何區分這些IC之間未透露的細微差別。一個更好的解決方案是將具有一系列電壓範圍和輸出電流的產品與可調節開關頻率結合。透過這種方法,每個電源的設計可實現尺寸和效率的合理折衷。如果該系列產品還包括外部迴路補償,我們還能解決瞬態響應問題。

然而,這些零組件中的每一個都必須仔細計算,而許多工程師卻沒有足夠的經驗和信心來完成這項工作。

另外,在尺寸方面,如圖1所示,外部零組件會佔用空間,不過外部迴路補償和其它可調節參數的實現可採用極小的陶瓷電容和電阻,其外形尺寸不會大於0805。

圖1:大範圍調節的開關頻率與可調節迴路補償相結合減少了電源尺寸。
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圖1:大範圍調節的開關頻率與可調節迴路補償相結合減少了電源尺寸。

通常情況下,這種尺寸的零組件可分佈在非常小的空間裡。當然,我們必須認識到,當進行特定的尺寸/效率之間的折衷時,可選用盡可能高的開關頻率來節省尺寸。或許這是未能在產品數據表中詳述電源零組件尺寸比例之IC製造商的錯。輸出電容的尺寸與迴路補償電容的尺寸並不相同。工程師應該明白,在以更高頻率執行交換式穩壓器以降低空間要求的同時,會導致效率的降低(圖2)。

圖2:為交換式穩壓器選擇工作頻率時的折衷策略。
圖2:為交換式穩壓器選擇工作頻率時的折衷策略。

在可靠性部份,每個零組件對系統的可靠性都有影響。我們知道,被動元件是最可靠的元件,再考慮到精密晶片能實現的精密度,我必須指出,與只是採用幾個額外被動元件的方案相較,在無法滿足特定應用所要求之具體性能指標的電源中,將產生更多可靠性問題。特別是,相較於添加幾個零組件所引起的問題而言,一個沒有適當冗餘度的無最佳化電源會帶來更高的可靠性風險。

因此,我們必須善用線上設計工具,並根據系統設計人員指定的特定優先級進行相關運算,如美國國家半導體的WEBENCH線上設計工具。

我看到越來越多對電源模組的要求。設計一個‘沒有’外部元件的電源是非常誇張的。如果每件事都像計劃的那樣進行(或者像希望的那樣),那麼模組化電源將是可接受的選擇。例如,如果一名設計工程師從事某產品的第2代或第3代設計,存在大問題的可能性很小,則在有可用空間的前提下,模組可能有工程上的意義,但它可能不具備商業上的意義。由於設計工程師是要為新的應用設計新電源,因此建議設計具有不同選項和靈活性的電源。

隨著科技的進步,對電源的需求也不斷增加。當你的時間非常緊迫,但必須完成一個或多個電源設計時,不要期望設計零組件數量最少的電源。儘管這看上去似乎是最簡單的途徑,但此後會造成諸多問題,因為這種設計並不具備可以應對‘難題’的靈活性。結合使用線上設計工具,將使你快速、輕鬆地做出重要決策,並在獲得原型後仍具有一定的調整空間,而且實現過程中只需很少的除錯,整個系統的執行將更加完美。

作者:Mark Davidson

行銷總監

電源管理產品部門

美國國家半導體




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