电源系统设计：非完全“即插即用”

作者: TI电池管理解决方案产品部高级应用工程师 UpalSengupta

许多年前，我们就已经开始使用“即插即用”一词来描绘一些易于使用的事物了。与过去相比，如今许多复杂设备在设置、配置和启用等方面都要比以往便捷得多。

今天，客户希望产品可以“开盒即用”。这样的期望与过去相比或多或少得到了合理满足。然而，这种外在的简单性却稍含欺骗成分。作为工程师，我们必须花更多心思简化产品的外在使用，尽管其内部可能相当复杂。

按照这种趋势，IC 组件供应商已经在努力简化其部件，充分满足系统设计人员的使用需求。与不久的过去相比，大多数 IC 产品说明书都提供详细的设计方程式、外部组件选择指南，乃至建议性 PCB 布局图，可帮助将给定 IC 整合于系统级设计。几乎所有编录中的 IC 都提供有评估套件，以帮助系统设计人员在开展自己的 PCB 构建之前详细了解所需知识。

可惜的是，有时候系统设计工程师会有误解，认为他们在自己的设备设计中使用的 IC 组件也是“即插即用”的。这很容易推测，只要按照 IC 产品说明书中的应用图“连接各点”，就不需要再对设计做任何额外的分析或验证。而现代 IC 产品说明书中提供的指南和建议虽然可能会简化系统设计，但却并不能完全消除需要由产品设计工程师完成的工作。

为电池供电设备设计电源系统包括两大块。首先，我们必须选择适当类型的电池技术及电池组设计。其次，我们必须开发电子电路，为电池组充电并将未经调整的电池“原始”电压转换为稳压输出轨，充分满足实际系统电子产品的工作需求。之前，我们曾经谈论过在第一步选择适当类型电池技术的重要性。一旦完成这一步，“真正的工作”就开始了。

常见的疏忽是缺乏散热分析。对极低功耗电池供电设备而言，尤为如此，我们很容易认为其功率水平不足以让人担心热管理问题。但需要记住的是，这类手持系统的功率密度实际上是相当高的。

表 1：便携式消费类产品的典型近似功率密度

从表 1 中可以看出，即使是绝对低功耗的器件也需要精心设计，从而要时刻牢记热管理。记住，我们需要将这样的低功耗塞入非常微小的空间里。对于超级本、笔记本以及计算机等高功率设备而言，热耗散是显而易见的。实际上，此类设备触感暖和。对于内部耗散仅数毫瓦的更低功耗设备而言，最终用户不会感觉设备外壳逐渐变热。但是，如果这种低功耗电路中的耗散集中在设备内部的一个小“热点”上，设备的可靠性或实用性就会令人堪忧。这在半导体组件工作接近或者高于推荐的热限时尤为明显。

过去，由于半导体器件封装尺寸大，在必要时还提供支持外部“螺栓固定”散热片的选项，所以我们可能不会过多地去考虑耗散仅为数毫瓦的电路。但是，对于高密度便携式产品，尤其是那些没有内部制冷风扇的便携式产品而言，唯一实用的散热方式就是在 PCB 上使用一层铜。

铜面层一般位于组件 PCB 的另一面。因此散热通孔需要将安装在 IC 表面的散热焊盘连接至散热面板。图 1 说明了热通孔怎么能够用来将 IC 上的热散去。大部分热量通过热传导方式扩散，因此我们希望最大限度地减少从 IC 散热焊盘到 PCB 另一面铜层路径中的热阻抗。这可通过并行布局连接至 IC 的多个散热通孔将热导离封装来实现。

图 1：表面安装 PCB 的热传导路径

为 PCB 设计执行全面、精确的散热仿真可能是一个复杂的过程，需要高级热分析软件，往往会超出许多项目的范围和预算。但根据 IC 产品说明书中提供的方程式及布局指南，系统设计人员通常可获得使其电源设计“一次性通过”的良机。此外，系统 PCB 上提供的热通孔、铜迹线和铜面层的有效热阻抗计算也相当简单。系统设计人员可根据下列参考文献中详细描述的技术，更加信心百倍地为电源转换电路处理电路板布局。

参考文献

1. 《构建自己的电源：布局注意事项》，作者：Robert Kollman，德州仪器，2005 年；
2. 《表面安装布局的散热注意事项》，作者：Charles Mauney，德州仪器，2006 年；
3. 《AN-2020：散热设计：宁愿深入了解，也不做“事后诸葛亮”》，作者：Marc Davis-Marsh，应用报告(SNVA419B)，德州仪器，2011 年 6 月。

UpalSengupta 是 TI 电池管理解决方案产品部的高级应用工程师，自从 2003 年加入 TI 以来，从事过应用工程师与技术市场营销方面的工作，为便携式电源与电池管理提供支持。在加入 TI 前，Upal 曾效力于多家开发移动电话、便携式计算机与消费类产品的 OEM 厂商，担任系统设计工程师。Upal 先后毕业于伊利诺伊大学 (the University of Illinois) 与密歇根州立大学 (Michigan State University)，分别获电气工程学士学位与电气工程硕士学位。