PoL轉(zhuǎn)換器如何獲得最大化增益

當(dāng)今的系統(tǒng)電源要求一直存在挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員需要克服多個(gè)問題，如供電電壓、電壓定序、高瞬態(tài)負(fù)載電流和過熱等。與其在系統(tǒng)電源上解決這些問題，不如在 PCB（印刷電路板）層面采用措施來解決，雖然這更有益，但意味著需要某種形式的負(fù)載點(diǎn) (PoL) 轉(zhuǎn)換器。由于大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師必須滿足系統(tǒng)要更小、更高效的市場(chǎng)需求，因此對(duì) PoL 電源的小型化就提出了更高的要求。但是并非所有 PoL 轉(zhuǎn)換器都是一樣的，因此在做出采購決策之前必須考慮幾個(gè)因素。 近年來，有多項(xiàng)關(guān)鍵趨勢(shì)主導(dǎo)著電子行業(yè)發(fā)展，尤其是不再采用集中式電源系統(tǒng)，甚至是不再采用分散式或分布式電源架構(gòu) (DPA)。取而代之的是，中間總線體系架構(gòu) (IBA) 成為最新的優(yōu)先選擇，這種架構(gòu)采用隔離式前端 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，為靠近所供電負(fù)載放置的多個(gè)小型非隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（稱為負(fù)載點(diǎn)/PoL 轉(zhuǎn)換器）供電（圖 1）。

關(guān)于 PoL 轉(zhuǎn)換器的部署，已經(jīng)出現(xiàn)了另一組趨勢(shì)，包括對(duì)不斷提高的性能水平、降低的成本以及系統(tǒng)/組件小型化的需求。最新的電子設(shè)備不僅更快、更智能，而且比上一代產(chǎn)品更小、更輕，功率密度更大，效率更高。 這個(gè)因素對(duì)電源設(shè)計(jì)有很大的影響。首先，每平方毫米的 PCB 面積要求產(chǎn)生更高的價(jià)值，因此轉(zhuǎn)換器越小越好。但是這里還有另一個(gè)問題要考慮。由于 PoL 電源主要放置在靠近使用點(diǎn)附近，從而解決了諸如微控制器或 ASIC 之類高性能半導(dǎo)體所需的高峰值電流要求和低噪聲容限的挑戰(zhàn)。不幸的是，由于緊張的開發(fā)進(jìn)度安排和復(fù)雜的電路板設(shè)計(jì)，許多設(shè)計(jì)師最終都會(huì)把對(duì)電源的考慮留到了最后一刻。結(jié)果，PCB 空間經(jīng)常很緊張，留下的空間僅適合小型化器件。 另一個(gè)考慮因素是多功能性。例如，建議評(píng)估 PoL 轉(zhuǎn)換器是否同時(shí)適用于 ASIC 和 FPGA。盡管大多數(shù)經(jīng)過優(yōu)化的 PoL 電源代表了簡單的模擬（而非數(shù)字）解決方案，但服務(wù) FPGA 的能力也很重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)诒姸鄳?yīng)用設(shè)計(jì)人員中越來越受歡迎。 與定制設(shè)計(jì)的 ASIC 相比，F(xiàn)PGA 具有許多優(yōu)勢(shì)，包括更低的成本、更大的尺寸范圍以及重新配置電路的潛力。但是，盡管這些好處對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來說非常有吸引力，但是仍然存在問題。每個(gè) FPGA 將需要多個(gè)直流電壓源。通常將需要四個(gè)、六個(gè)或更多個(gè) DC 電源軌，其中一些需要相當(dāng)高的電流用于該芯片，而許多則需要低得多的電流。這就是為什么仔細(xì)選擇 PoL 轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要的原因，尤其是最新的高密度 FPGA（和 ASIC）變得越來越復(fù)雜和苛刻時(shí)。簡言之，不能因?yàn)樾⌒突癁榇鷥r(jià)犧牲性能、效率、質(zhì)量和靈活性。 然而，由于 PCB 板空間價(jià)格昂貴，因此無法忽略尺寸的重要性。關(guān)鍵點(diǎn)在于，小型 PoL 轉(zhuǎn)換器通常外形小巧、輕便，足以在 PCB 的下方使用，從而節(jié)省了更多空間并提高了設(shè)計(jì)靈活性。將這種節(jié)省空間的概念與只能安裝在電路板一側(cè)的更大/更重/更高的 PoL 電源或單獨(dú)的隔離式轉(zhuǎn)換器比較，其好處顯而易見。 此外，可以將小型 PoL 轉(zhuǎn)換器放置在距離其負(fù)載更近的位置，而這又帶來了許多關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。舉例來說，可將 DC/DC 配電損耗降至最低，同時(shí)將克服噪聲敏感性和 EMI 輻射問題。此外，可以減小雜散電感，從而實(shí)現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)。 部署多個(gè) PoL 轉(zhuǎn)換器也將使得在當(dāng)今 PCB 上提供高規(guī)格組件通常所需的各種電壓源變得更加容易。 另一個(gè)需要仔細(xì)檢查的因素是熱性能。隨著功率組件變得更小，封裝更密集，傳熱潛在需求也變得越來越大。但眾所周知的是，必須將功耗和熱量保持在最低水平，以避免溫度上升和潛在的不可靠性，以及因消除多余熱量而生產(chǎn)額外成本。因此，最佳建議是，仔細(xì)閱讀 PoL 轉(zhuǎn)換器的規(guī)格書，尤其是查清楚熱性能和效率數(shù)據(jù)。與熱性能有關(guān)的信息通常以“降額曲線”形式提供，描述了轉(zhuǎn)換器的最大輸出如何受到環(huán)境溫度和冷卻條件影響（圖 2）。

該產(chǎn)品的效率數(shù)據(jù)還可以在規(guī)格書相應(yīng)的“效率曲線”中找到，是必須進(jìn)行全面檢查的數(shù)據(jù)（圖 3）。

另外還建議系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員找找可能會(huì)提高性能的其他功能。例如，有些穩(wěn)壓器具有環(huán)路優(yōu)化功能，可讓設(shè)計(jì)工程師針對(duì)不同的容性負(fù)載優(yōu)化其瞬態(tài)響應(yīng)，從而提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。某些 PoL 解決方案還提供了可配置的軟啟動(dòng)或跟蹤功能，這使得時(shí)序設(shè)計(jì)更容易、更靈活。 綜上所述，小型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器適合空間是首要考慮因素的各種板上應(yīng)用。這種穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)緊湊、性價(jià)比高，并具有許多通用項(xiàng)目優(yōu)勢(shì)，例如更短的開發(fā)周期、更輕松的鑒定工作、更靈活的設(shè)計(jì)布局、更高的質(zhì)量水平以及更節(jié)省的開發(fā)成本。 為了滿足大家對(duì)小型 PoL 穩(wěn)壓器的持續(xù)需求，F(xiàn)lex Power Modules 通過Digi-Key 銷售其緊湊型產(chǎn)品系列，這些產(chǎn)品系列采用小巧且功能豐富的封裝，性價(jià)比出色。它們效率通常高達(dá) 95.3%，同時(shí)熱性能也非常出色，部分原因是因?yàn)?LGA 設(shè)計(jì)允許熱量向下傳遞到主機(jī) PCB。 這些小型 PMU8000 PoL 轉(zhuǎn)換器采用市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)封裝尺寸，可應(yīng)用于電路板的上側(cè)或下側(cè)，從而為設(shè)計(jì)工程師提供了高度靈活的解決方案。一個(gè)封裝覆蓋 4 A、6 A 和 8 A 的電流水平，這為旨在優(yōu)化電源設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了更大的靈活性。此外，這些模塊也可以工作在高溫（最高 105°C）和惡劣的環(huán)境條件下。在這里，穩(wěn)健的設(shè)計(jì)意味著額定平均故障間隔時(shí)間 (MTBF) 為 171 Mhrs。Flex Power Modules 的 PoL 穩(wěn)壓器適用于各種各樣的電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用，包括 FPGA、ASIC、網(wǎng)絡(luò)處理器、CPU 和 GPU，覆蓋的領(lǐng)域如 ICT（電信和數(shù)據(jù)通信）、工業(yè)、測(cè)試與計(jì)量、物聯(lián)網(wǎng)、鐵路和醫(yī)療