使嵌入式系统中的DCDC电源设计更小的技巧

1、前言

实现并减小我们PCB布局中，电源DCDC解决方案的尺寸是嵌入式系统工程师的首要任务之一，尤其是那些设计工业和通信设备（如无人机或路由器）的工程师。与几年前发布的型号相比，目前可用的无人机更轻，机身更小，而路由器现在更便携，更紧凑，内置电源适配器。

随着设备尺寸的缩小，工程师正在寻找缩小电源解决方案的方法。在这篇技术文章中，我将提供一些技巧来帮助我们缩小电源芯片设计，同时演示如何解决由此产生的热性能挑战。

2.选着合适的IC

减小解决方案尺寸的一种明显方法是选择较小封装的集成电路 (IC)。小外形 (SO)-8 和小外形晶体管 (SOT)-23-6 封装通常用于 12V 电压轨 DC/DC 转换器。它们通常非常可靠。

但是，如果我们在一个每毫米都至关重要的行业（例如无人机市场）工作，我们可能正在寻找更小的 DC/DC 转换器。SOT-563 封装比 SOT-23-6 小几乎 260%，比 SO-8 封装小 700%。图 1 比较了所有三种封装的机械外形尺寸。

图 1：三种转换器封装的机械外形尺寸

除了选择更小的封装外，减小解决方案尺寸的另一种方法是减小输出电感器和电容器。对于大多数应用而言，电感的感值范围是4.7uh~10uh，电感值的选择一般要看纹波的大小来确定，一般要求纹波的电流应低于平均电流的20%。为了保证输出电压的纹波，选择输出的电容值时， 参考负载电流 1mA对应1uF，所以选择合适的电容值也非常重要，要在体积和纹波之间做一个平衡，但是电容器可施加的电压及纹波电流必须在电容器的最大额定以下。

公式 1 和 2 计算输出电感 (L OUT ) 和输出电容 (C OUT )

其中 r定义为电感电流纹波的比率，V RIPPLE是允许的最大峰峰值纹波电压，f sw是转换器的开关频率。因为L OUT和C OUT都与f sw成反比，所以开关频率越大，L OUT和C OUT越小。较小的电感或电容意味着工程师可以选择较小尺寸的电感或电容器。具有较高 f sw 的转换器可以使用这些较小的电感器和电容器。

3.解决热性能问题

考虑到散热路径有限，较小的系统面临更严重的热性能问题。

为了有效解决任何可能的热问题并实现更高的效率，我们可以应用具有较低 R DS(on) 的转换器开关。公式 3 计算 DC/DC 转换器的温升：

其中 P LOSS是转换器的总功率损耗，R ΘJA是结到环境的热阻。 考虑一个 2A 负载转换器，其平均 R DS(on)变化从 100 mΩ 到 50 mΩ。该器件的功率损耗将导致 200-mW 的降低，这将使热阻为 80°C/W 的典型 SOT-563 电路板冷却 16°C。因此，具有较低 R DS(on) 的转换器可在较低温度下提供更好的工作条件。

4.理论到实践

现实设计中的嵌入式系统通常应用多个降压 DC/DC 电源芯片。图 2 显示了需要四个较低电压轨的家用路由器功率级架构的框图。让我们以在此类系统中应用的三个典型器件来演示封装尺寸和开关频率如何影响电源芯片解决方案尺寸。

图 2：嵌入式系统的功率级架构

该 TPS54228具有在SO-8封装的700 kHz的频率。该芯片TPS562201具有在SOT-23-6封装的580 kHz的频率，并且TPS562231具有一个SOT-563封装中的850千赫的频率。该TPS562231具有最高频率和最小的IC封装尺寸。此溶液尺寸为约比小142％TPS56221，以及比小227％TPS54228，如图3所示。

图 3：具有不同封装的转换器的解决方案尺寸

TPS562231中集成金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)的 R DS(on)为 95 mΩ（高端）和 55 mΩ（低端）。图 4 是TPS562231评估板上12V 输入的满负载温升的热图像。

图 4：具有 12V 输入电压的 TPS562231 的热图像

通常，TPS562231在  850KHZ开关频率下工作，密封在小型 SOT-563 封装中，这有助于减小整体解决方案尺寸。其低导通电阻还具有良好的热性能。它适用于需要小型解决方案尺寸的路由器、无人机、机顶盒或任何其他嵌入式设计。