2020/06/18

作者:  德州儀器應用工程師 Kelvin Odom

 

應用電力電子大會(APEC)今年邁入 35 週年,與此同時,更適合回顧通訊基地台、量測設備與資料中心等系統單晶片應用的電源供應設計。
 

設計熱能最佳化電源供應向來不易,對於現代系統單晶片對於功耗的要求,更增添設計難度。整合型場效電晶體(FET)降壓轉換器於 20 年前問世時,正是試圖解決業界一項重大挑戰:利用有限的電路板空間,提供更多組電源轉換器需求。
 

解決這項難題至今依然極為重要,且在目前趨勢下,針對系統單晶片往往有更高的功率要求、對周遭環境溫度與轉換器開關頻率提高。因此,熱能管理更顯重要。若電源供應設計未充分考量上述限制,便可能導致無法供應所需電力,以下三個步驟可確保電源供應以滿足系統單晶片需求。

 

  1. 瞭解處理器功率需求

縮小解決方案尺寸與外部元件數量始終是電源設計師的目標。例如將場效電晶體與降壓控制器整合在封裝中,因應不斷增加系統單晶片功率需求,業界持續運用該策略提高功率密度。在這個趨勢下,針對應用需求選擇適當額定的轉換器便顯得格外重要。

判斷轉換器功率額定是否符合應用需求的標準眾多,但可先釐清轉換器使用前的功率損耗情況,圖一為 40-A 輸出電流額定降壓轉換器 TPS546D24A 的功率損耗曲線,由於此轉換器的接地點面積 (ground pad)較大,整合型場效電晶體 RDS(on) 較低,即使在輸出電流高的狀況下,功率損耗亦相對低。因此,審慎考量裝置設計負載條件下的功率損耗,才得以確保轉換器在適當的額定功率,符合應用的熱能環境。

 

                                        圖一:TPS546D24A  功率損耗

 

  1. 確保設計可應付較高溫度
    若使用功率損耗較高的降壓轉換器,在環境溫度(TA)較高的應用中便容易導致問題。為解決這項難題,TI開發的轉換器解決方案可在溫度範圍較大的情況下運作,通常以最大接面溫度(TJ)標示。考慮到裝置運作時的環境溫度經常高達60度以上的狀況,傳統 TJ  額定105度的降壓轉換器面臨熱關機情況也不會造成太大的功率損耗。SOA)曲線,  TPS546D24A  的曲線如圖二所示,根據轉換器運作時的環境溫度,可透過 SOA  曲線,瞭解轉換器在運作期間實際可提供的功率級數。

    欲瞭解電源供應的真正運作範圍,除了可參考效能或功率損耗曲線,也應對照安全工作區(SOA)曲線,  TPS546D24A  的曲線如圖二所示,根據轉換器運作時的環境溫度,可透過 SOA  曲線,瞭解轉換器在運作期間實際可提供的功率級數。


                                      圖二: TPS546D24A  的  SOA  曲線

 

  1. 在高切換頻率運作的優缺點尋求平衡
    高切換頻率(FSW)、高切換損耗、高總功率損耗之間的關聯性早已廣為人知,但為了縮小解決方案尺寸與提高瞬態反應,許多電源設計師不得不妥協效能較低的功率解決方案,其中一項因素在於共同處理器主電源的功率要求,僅允許總輸出電壓偏差幾個百分比,因此嚴格限制線電壓、負載電壓與運作溫度。若改用切換頻率較高的轉換器,便能更迅速因應瞬態電壓來設計,並更加有效管理。許多電源設計師在極高功率的應用中,依然選擇切換頻率高於 1 MHz 的轉換器,因為轉換器以高切換頻率運作的價值,取決於特定應用條件,若裝置具備可調整電阻或多段選擇切換頻率,便能更有彈性地解決因負載需求改變而產生的熱能難題。

    在設計負載點功耗解決方案時,考量因素非常多,而選擇電力裝置時,若能納入這些考量,就更有可能達到理想的應用熱能表現。

 

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