2019年01月23日 | 带你见识一下IoT系统的年度最佳电源转换器件

不论是端、管、云等多个层面，物联网的崛起伴随着庞大数量的设备需求。公开数据显示，物联网设备接入量在2019年将达到385亿台。数以百亿计的设备无一不需要用电，不管是交流电网、直流总线、以太网供电、电池供电还是采用能量收集等方式，物联网设备在设计的过程中有一个重要参考项是它如何获得和使用电源，这将会对系统的功能和用户体验产生根本性的影响。电源管理技术在不同物联网应用中有着不同侧重的需求。例如，可穿戴设备需要电源系统更小、更高效；工业物联网需要电源系统精准耐用；车联网需要电源系统一对多等；因此电源管理、转换等技术与元器件产品同样需要变革。

消费、工业、医疗不可同语，IoT电源技术需“区别对待”

不久前落下帷幕的2018第九届千人大会暨深圳高性能电源技术分享与实战技术研讨会上，ADI公司受邀出席、并展示其领先的µModule®电源解决方案。在交谈中，ADI技术专家指出：“在功率频谱的中低端，物联网(IoT)设备的适度电源转换等要求十分常见，因而必需使用可处理中电平电流的电源转换IC。这些电流通常约为几百毫安，但是在内置功率放大器出于数据或视频传输目的而产生峰值功率需求时则会更高。”

图1：ADI受邀参展深圳高性能电源技术分享与实战技术研讨会

然而，与许多其他应用不同的是，很多工业和医疗产品对于可靠性、外形尺寸和坚固性的标准通常高得多。并且设计负担大部分落在了电源系统及其相关的支持组件上。工业、甚至医疗IoT产品必须正常运行，并在交流电源主插座和备份电池等多种电源之间无缝切换。ADI专家指出，必须全力提供针对各种不同故障情况的保护，并且尽量延长依靠电池供电时的工作时间，确保无论接入哪种电源，都能实现可靠的正常系统操作。因此，这些系统中使用的内部电源转换架构必需坚固、紧凑，且仅需极少的散热。

电源设计的这些坑，你考虑了么

举个例子，工业IoT系统设计人员在具备无线传输能力的系统中使用线性稳压器的做法很常见。这么做的主要原因是线性稳压器能够最大限度降低EMI和噪声辐射。然而，尽管开关稳压器产生的噪声高于线性稳压器，但是其效率指标要好得多。经证明，如果开关以可预知的方式运行，那么许多敏感应用中的噪声和EMI水平是非常容易管理。假如开关稳压器在正常模式中以恒定频率执行开关操作，而且开关边沿是干净和可预知的 (没有过冲或高频振铃)，则可以最大限度抑制EMI。而且，较小的封装尺寸和高工作频率能够提供小巧紧凑的布局，这极大地降低了EMI辐射。此外，倘若稳压器可使用低ESR陶瓷电容器，则能尽可能地减小输入和输出电压纹波，这些纹波是系统中的额外噪声源。

ADI专家告诉笔者，当今工业和医疗IoT设备的主输入电源通常是由外部AC/DC适配器和/或电池组提供的24V或12V DC电源。然后，采用同步降压型转换器将该电压进一步降低至5V和/或 3.xV电源轨。然而，这些医疗IoT设备中的内部后置稳压电源轨数目有所增加，而工作电压则持续下降。所以，许多此类系统仍然需要用于为低功率传感器、存储器、微控制器内核、I/O和逻辑电路供电的 3.xV、2.xV 或 1.xV 电源轨。虽然如此，用于数据传输的内部功率放大器会需要一个 12V 电源轨和高达 0.8A 的电流能力，以将任何记录数据传输至一个远程中央平台。

传统上，12V电源轨一直是由升压型开关稳压器提供，因而要求设计人员具备专门的开关模式电源设计知识，还必需在印刷电路板(PCB)上留出较大的解决方案尺寸。

全新紧凑型升压转换器，年度金奖实力诠释

ADI公司的 µModule®(微型模块)产品是完整的系统级封装(SiP)解决方案，可最大限度缩短设计时间，并解决工业和医疗IoT系统中常见的电路板空间和密度问题。ADI  µModule产品是完整的电源管理解决方案，其在紧凑的表面贴装型BGA或LGA封装中内置了集成 DC/DC控制器、功率晶体管、输入和输出电容器、补偿组件和电感器。在设计中采用ADI µModule产品，最多可使完成设计过程所需的时间减少 50%，具体取决于设计的复杂程度。µModule 系列将组件选择、优化和布局的设计负担从设计 人员转移到了器件上，从而缩短了整体设计时间和系统故障排除过程，最终加快了产品上市。

μModule 稳压器提供了一种理想的应对方案；其原理是“内繁外简”，兼具开关稳压器高效率和线性稳压器设计简单的特点。在开关稳压器的设计中，谨慎的设计、PCB 布局和组件选择是非常重要，许多经验丰富的设计人员在职业生涯早期都曾遇到过电路板燃烧问题。在时间较短或电源设计经验有限的情况下，现成的μModule稳压器可节省时间并降低项目风险。

其中，LTM4661是ADI 最新的μModule产品实例，该器件是采用6.25x 6.25 x 2.42mm3 BGA封装的同步升压型 μModule稳压器。封装中内置了开关控制器、功率FET、电感器和所有的支持组件。LTM4661在1.8V至5.5V的输入电压范围内运行，可调节2.5V至15V(由单个外部电阻器设定)的输出电压。仅需采用大容量的输入和输出电容器。

图2：从3.3V至5V输入范围，在高达 800mA 电流条件下提供 12V 输出 (采用一个外部时钟)

ADI的LTM4661是高效率器件，它在执行3.3V输入至12V输出的升压转换中可以实现高于87%的效率，如图3所示。另外，图4显示了LTM4661在执行3.3V输入至12V输出(800mA DC)转换中的实测热图像(具有200LFM气流，无散热器)。

图3：LTM4661从3.3V输入至5V~15V输出的转换效率与输出电流关系曲线

图4：LTM4661的热图像；3.3V输入至12V输出(在 0.8A)，具有200LFM气流，无散热器

凭借优异的性能表现与良好的市场反响，日前，在备受业界瞩目的ASPENCORE全球双峰会上，ADI的LTM4661荣获“2018全球电子成就奖——年度电源管理/电压转换器类最佳产品奖”，无疑是对这一款产品的高度认可。

后记

IoT 设备的部署近年来呈现爆炸性增长趋势，包括面向消费和工业、医疗应用领域的众多产品。由于这些系统存在空间和热设计限制，因此产生了对于新型电源转换器的需求，此类转换器应具备必要的性能指标，包括小巧、紧凑和高散热效率的尺寸，以便为功率放大器等器件的内部电路供电。ADI公司推出的LTM4661升压稳压器等器件提升了电源设计人员工作任务的效率，正不断赋能广泛的IoT系统。