因此，用于支持眾多 IoT 設備的無(wú)線(xiàn)傳感器之迅速普及增加了對于小巧、緊湊和高效率電源轉換器的需求，此類(lèi)電源轉換器專(zhuān)門(mén)針對空間和散熱條件受限的設備外形尺寸量身定做。

 

然而，與許多其他應用不同的是，很多工業(yè)和醫療產(chǎn)品對于可靠性、外形尺寸和堅固性的標準通常高得多。如您所料，設計負擔大部分落在了電源系統及其相關(guān)的支持組件上。工業(yè)、甚至醫療 IoT 產(chǎn)品必須正常運行，并在交流電源主插座和備份電池等多種電源之間無(wú)縫切換。此外，必須全力提供針對各種不同故障情況的保護，并且盡量延長(cháng)依靠電池供電時(shí)的工作時(shí)間，確保無(wú)論接入哪種電源，都能實(shí)現可靠的正常系統操作。因此，這些系統中使用的內部電源轉換架構必需堅固、緊湊，而且僅需極少的散熱。

 

電源設計考慮因素

 

工業(yè) IoT 系統設計人員在具備無(wú)線(xiàn)傳輸能力的系統中使用線(xiàn)性穩壓器的做法很常見(jiàn)。這么做的主要原因是線(xiàn)性穩壓器能夠最大限度降低 EMI 和噪聲輻射。然而，盡管開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)生的噪聲高于線(xiàn)性穩壓器，但是其效率指標要好得多。經(jīng)證明，如果開(kāi)關(guān)以可預知的方式運行，那么許多敏感應用中的噪聲和 EMI 水平是非常容易管理。假如開(kāi)關(guān)穩壓器在正常模式中以恒定頻率執行開(kāi)關(guān)操作，而且開(kāi)關(guān)邊沿是干凈和可預知的 (沒(méi)有過(guò)沖或高頻振鈴)，則可以最大限度抑制 EMI。而且，較小的封裝尺寸和高工作頻率能夠提供小巧緊湊的布局，這極大地降低了 EMI 輻射。此外，倘若穩壓器可使用低 ESR 陶瓷電容器，則能盡可能地減小輸入和輸出電壓紋波，這些紋波是系統中的額外噪聲源。

 

 

當今工業(yè)和醫療 IoT 設備的主輸入電源通常是由外部 AC/DC 適配器和/或電池組提供的 24V 或 12V DC 電源。然后，采用同步降壓型轉換器將該電壓進(jìn)一步降低至 5V 和/或 3.xV 電源軌。然而，這些醫療 IoT 設備中的內部后置穩壓電源軌數目有所增加，而工作電壓則持續下降。所以，許多此類(lèi)系統仍然需要用于為低功率傳感器、存儲器、微控制器內核、I/O 和邏輯電路供電的 3.xV、2.xV 或 1.xV 電源軌。雖然如此，用于數據傳輸的內部功率放大器會(huì )需要一個(gè) 12V 電源軌和高達 0.8A 的電流能力，以將任何記錄數據傳輸至一個(gè)遠程中央平臺。

 

 

傳統上，這個(gè) 12V 電源軌一直是由升壓型開(kāi)關(guān)穩壓器提供，因而要求設計人員具備專(zhuān)門(mén)的開(kāi)關(guān)模式電源設計知識，而且必需在印刷電路板 (PCB) 上留出較大的解決方案尺寸。

 

一款全新緊湊型升壓轉換器

 

ADI 的 µModule® (微型模塊) 產(chǎn)品是完整的系統級封裝 (SiP) 解決方案，可最大限度縮短設計時(shí)間，并解決工業(yè)和醫療系統中常見(jiàn)的電路板空間和密度問(wèn)題。這些 µModule 產(chǎn)品是完整的電源管理解決方案，其在緊湊的表面貼裝型 BGA 或 LGA 封裝中內置了集成 DC/DC 控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容器、補償組件和電感器。

 

在設計中采用 ADI 的 µModule 產(chǎn)品，最多可使完成設計過(guò)程所需的時(shí)間減少 50%，具體取決于設計的復雜程度。µModule 系列將組件選擇、優(yōu)化和布局的設計負擔從設計人員轉移到了器件上，從而縮短了整體設計時(shí)間和系統故障排除過(guò)程，最終加快了產(chǎn)品上市。

 

此外，ADI 的 µModule 解決方案還將分立式電源、信號鏈和隔離型設計中常用的主要組件集成在一個(gè)緊湊、外形尺寸類(lèi)似 IC 的封裝內。在 ADI 嚴格的測試和高可靠性工藝的支持下，µModule 產(chǎn)品系列簡(jiǎn)化了電源轉換設計方案的設計和布局。

 

µModule 產(chǎn)品系列適用于眾多應用，包括負載點(diǎn)穩壓器、電池充電器、LED 驅動(dòng)器、電源系統管理 (PMBus 數字控制式電源)、隔離型轉換器、電池充電器和 LED 驅動(dòng)器。µModule 電源產(chǎn)品是高度集成的解決方案，可為每款器件提供 PCB Gerber 文件，因而能在滿(mǎn)足時(shí)間和空間限制條件的同時(shí)，打造一種高效可靠的解決方案，有些產(chǎn)品還可符合 EN55022 Class B 標準以實(shí)現低 EMI 要求。

 

由于設計資源在系統復雜性增加和設計周期縮短的情況下變得緊張，因此工作重點(diǎn)放在了系統關(guān)鍵知識產(chǎn)權的開(kāi)發(fā)上。這通常意味著(zhù)電源會(huì )被擱置在一邊，直到開(kāi)發(fā)周期的后期才會(huì )予以考慮。由于留出的時(shí)間微乎其微，而且專(zhuān)業(yè)的電源設計資源可能十分有限，因此要開(kāi)發(fā)出尺寸盡可能小的高效率解決方案，同時(shí)還要盡可能充分利用 PCB 背面的未用面積以實(shí)現最大的空間利用率，這導致了非常大的壓力。

 

 

μModule 穩壓器為此提供了一種理想的應對方案；其原理是“內繁外簡(jiǎn)”，兼具開(kāi)關(guān)穩壓器高效率和線(xiàn)性穩壓器設計簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。在開(kāi)關(guān)穩壓器的設計中，謹慎的設計、PCB 布局和組件選擇是非常重要，許多經(jīng)驗豐富的設計人員在職業(yè)生涯早期都曾遇到過(guò)電路板燃燒問(wèn)題。在時(shí)間較短或電源設計經(jīng)驗有限的情況下，現成的 μModule 穩壓器可節省時(shí)間并降低項目風(fēng)險。

 

LTM4661 是 ADI 最新的 μModule 產(chǎn)品實(shí)例，該器件是采用 6.25mm x 6.25mm x 2.42mm BGA 封裝的同步升壓型 μModule 穩壓器。封裝中內置了開(kāi)關(guān)控制器、功率 FET、電感器和所有的支持組件。LTM4661 在 1.8V 至 5.5V 的輸入電壓范圍內運行，可調節 2.5V 至 15V (由單個(gè)外部電阻器設定) 的輸出電壓。僅需采用大容量的輸入和輸出電容器。

 

圖 1：從 3.3V 至 5V 輸入范圍，在高達 800mA 電流條件下提供 12V 輸出 (采用一個(gè)外部時(shí)鐘)

 

LTM4661 是高效率器件，它在執行 3.3V 輸入至 12V 輸出的升壓轉換中能實(shí)現高于 87% 的效率。見(jiàn)下方圖 2 的效率曲線(xiàn)。

 

圖 2：LTM4661 從 3.3V 輸入至 5V~15V 輸出的轉換效率與輸出電流關(guān)系曲線(xiàn)

 

另外，圖 3 顯示了 LTM4661 在執行 3.3V 輸入至 12V 輸出 (800mA DC 電流) 轉換中的實(shí)測熱圖像 (具有 200LFM 氣流，無(wú)散熱器)。

 

圖 3：LTM4661 的熱圖像；3.3V 輸入至 12V 輸出 (在 0.8A)，具有 200LFM 氣流，無(wú)散熱器

 

結  論

 

IoT 設備的部署近年來(lái)呈現爆炸性增長(cháng)趨勢，包括面向防務(wù)和工業(yè)應用領(lǐng)域的眾多產(chǎn)品。近年來(lái)，包括大量使用傳感器的醫療和科學(xué)儀表在內的新一波產(chǎn)品已經(jīng)成為主要的市場(chǎng)驅動(dòng)因素，并且現在才開(kāi)始出現顯著(zhù)增長(cháng)的跡象。與此同時(shí)，由于這些系統存在空間和熱設計限制，因此產(chǎn)生了對于新型電源轉換器的需求，此類(lèi)轉換器應具備必要的性能指標，包括小巧、緊湊和高散熱效率的尺寸，以便為功率放大器等器件的內部電路供電。幸運的是，ADI推出的 LTM4661 升壓型 µModule 穩壓器等器件提升了電源設計人員工作任務(wù)的效率。

 

 

最后，在此類(lèi)環(huán)境中使用 µModule 穩壓器優(yōu)勢明顯，因為它們能夠顯著(zhù)地縮短調試時(shí)間并實(shí)現更高的電路板面積利用率。這就降低了基礎設施成本以及產(chǎn)品生命周期的總擁有成本。

 

 

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