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直流电源模组的介绍与应用
 

【作者: 周中明】2018年07月27日 星期五

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人类的好奇心驱使对新科技的需求,而一个产品能够成功的推出,除了靠优异的效能与扎实的内在功能性设计之外,产品外观设计又攸关顾客的第一印象。在有限的产品空间中保持效能与增加功能性,这些产品诉求给了系统设计者很大的挑战,尤其对电子产品的冲击更大!积体电路的进步解决了很多对电子系统的效能,空间的需求,也提升了功能性与可靠度!对於在电子系统中不可或缺的直流交换式电源,是否也针对现今对系统效能与空间的需求提供了相应的对策?以下的内容提供了线索:我们以一个降压式的直流电源转换电路,从12V输入转1.5V输出5A的输出电流(图一)为例子说明:


MIC2124 Adjustable Output 300kHz Buck Converter


一个典型的降压式的直流电源转换电路主要是由以下的几个部分构成(图一):切换控制器(MIC2124),开关元件(Q1, Q2),能量储存传递元件(电感器输出电容器)。其中 MIC2124 是一个300kHz电压模式的PWM控制器 (MSOP10 封装 5mmx3mm),为了达成12V输入转1.5V输出5A的输出电流,这个电路用了FDS6890A (Q1, Q2 -双路NMOS於SO8封装5mm x 6mm)作为主要开关元件,搭配适合的电感器 (2.7uH , Coilcraft MSS1260-222NLD,饱和电流7A,12.6mm x 12.6mm x 6mm),加上输出与输入电容器,整个叁考设计的PCB面积约48mm X 50mm (图二)


MIC2124 PCB 面积


这方案具有设计上的弹性,相对的,使用了较多的PCB面积!如果要把PCB尺寸再减少,另一种方式是使用整合开关功率元件的整合型稳压器 - MIC24051(600KHz PWM 开关频率,5mm x 6mm QFN 封装 ; 图三)


 MIC24051 叁考电路


这个器件整合了功率元件,加上操作频率高,缩小了整个PCB面积,并减少了输出电容器的使用。用这个器件设计上个例子的规格,整个使用的PCB面积可以缩小到25mm X 25mm (图四),约第一个例子的四分之一面积!这两个例子对切换杂讯的处理就必须靠适当零件选择,电路布局或外部遮罩解决。


MIC24051 PCB 面积


如果针对更小尺寸的应用需求例如Mini Com Express module (图五,叁考https://www.picmg.org/openstandards/com-express/ )


不同 Com Express 格式尺寸的比较


在mini版本的Com Express module,整个尺寸只有55mm X 84mm,上面要有整个主机板雏形,能够给电源的空间就更少了!这时候电源模组的使用就带来了好处!下面是一个6A的电源模组MIC45205的6A输出电流的叁考电路(图六)


MIC45205 6A 叁考电路


MIC45205是个6A的电源模组,它整合了交换式电源中的重要零组件交换开关与电感器,外部只需加上输出电容器,致能,操作频率与过电流保护设定的小型元件即可简单使用。MIC45205叁考设计的整个PCB面积最省可达15.75mm X 21.1mm (图七)


MIC45205 6A 叁考电路 PCB


这方案只有第一例的13.8%面积,也只有第二例的53% 面积!另一个重点是电源模组除了把比较占空间的功率元件纳入精心设计的封装中,对於内部元件的挑选,也朝着在有限空间把效能与切换杂讯干扰(EMI)最隹化考虑,尤其是杂讯干扰!切换式电源的好处是藉由开关切换与储能元件的交互运作把能量转换效率提高,在开关切换过程,一定会产生切换杂讯,经由传导与辐射模式带到系统中,这些杂讯在有限PCB空间中很难靠着线路布局,零件摆放位置调整或外部遮罩方案解决!这个时候,电源模组的使用就解决了这个问题!举个例子,MIC28304 (叁考网址https://www.microchip.com/wwwproducts/en/MIC28304) 是一个宽输入电压 (4.5V~70V) 3A的电源模组(封装尺寸12mm X 12mm X3mm) 适合使用在小型的太阳能转换器,车载应用,它的EMI表现就十分优异,以下是MIC28304 (的EMI CISPERR 22 Class B的测试结果(图八):


MIC28304的 CISPR22 B 的EMI测试结果


最後,总结这篇文章,在现今的电子产品,要达到精巧的外观设计与丰富的功能,PCB尺寸的限制,杂讯的处理增加了设计人员的挑战,挑选适当的电源模组可以让设计简化,产品问世时程顺利,增加产品的市场竞争力,无形中也减少了整个成本,增加总体收益!小小的电源模组有可能是产品成功的关键因素!


作者 周中明 Microchip应用工程师


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