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系統(tǒng)單芯片（SoC）電源設(shè)計：熱能優(yōu)化電源供應(yīng)的三步驟
日期：2020/8/1 16:54:08   作者：
應(yīng)用電力電子大會（APEC）今年邁入35周年，與此同時，更適合回顧通訊基地臺、量測設(shè)備與數(shù)據(jù)中心等系統(tǒng)單芯片應(yīng)用的電源供應(yīng)設(shè)計。 

設(shè)計熱能優(yōu)化電源供應(yīng)向來不易，對于現(xiàn)代系統(tǒng)單芯片對于功耗的要求，更增添設(shè)計難度。整合型場效晶體管（FET）降壓轉(zhuǎn)換器于20年前問世時，正是試圖解決業(yè)界一項重大挑戰(zhàn)：利用有限的電路板空間，提供更多組電源轉(zhuǎn)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(tǒng)單芯片往往有更高的功率要求、對周遭環(huán)境溫度與轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率提高。因此，熱能管理更顯重要。若電源供應(yīng)設(shè)計未充分考慮上述限制，便可能導(dǎo)致無法供應(yīng)所需電力，以下三個步驟可確保電源供應(yīng)以滿足系統(tǒng)單芯片需求。

 
1.了解處理器功率需求


縮小解決方案尺寸與外部組件數(shù)量始終是電源設(shè)計師的目標。例如將場效晶體管與降壓控制器整合在封裝中，因應(yīng)不斷增加系統(tǒng)單芯片功率需求，業(yè)界持續(xù)運用該策略提高功率密度。在這個趨勢下，針對應(yīng)用需求選擇適當額定的轉(zhuǎn)換器便顯得格外重要。

判斷轉(zhuǎn)換器功率額定是否符合應(yīng)用需求的標準眾多，但可先厘清轉(zhuǎn)換器使用前的功率損耗情況，由于此轉(zhuǎn)換器的接地點面積墊（ground pad）較大，整合型場效晶體管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，審慎考慮裝置設(shè)計負載條件下的功率損耗，才得以確保轉(zhuǎn)換器在適當?shù)念~定功率，符合應(yīng)用的熱能環(huán)境。

 
2.確保設(shè)計可應(yīng)付較高溫度


若使用功率損耗較高的降壓轉(zhuǎn)換器，在環(huán)境溫度（TA）較高的應(yīng)用中便容易導(dǎo)致問題。為解決這項難題，TI開發(fā)的轉(zhuǎn)換器解決方案可在溫度范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(huán)境溫度經(jīng)常高達60度以上的狀況，傳統(tǒng)TJ額定105度的降壓轉(zhuǎn)換器面臨熱關(guān)機情況也不會造成太大的功率損耗。根據(jù)轉(zhuǎn)換器運作時的環(huán)境溫度，可透過SOA曲線，了解轉(zhuǎn)換器在運作期間實際可提供的功率級數(shù)。

欲了解電源供應(yīng)的真正運作范圍，除了可參考效能或功率損耗曲線，也應(yīng)對照安全工作區(qū)（SOA）曲線，根據(jù)轉(zhuǎn)換器運作時的環(huán)境溫度，可透過SOA曲線，了解轉(zhuǎn)換器在運作期間實際可提供的功率級數(shù)。

 
3.在高切換頻率運作的優(yōu)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(guān)聯(lián)性早已廣為人知，但為了縮小解決方案尺寸與提高瞬態(tài)反應(yīng)，許多電源設(shè)計師不得不妥協(xié)效能較低的功率解決方案，其中一項因素在于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(zhuǎn)換器，便能更迅速因應(yīng)瞬態(tài)電壓來設(shè)計，并更加有效管理。許多電源設(shè)計師在極高功率的應(yīng)用中，依然選擇切換頻率高于1MHz的轉(zhuǎn)換器，因為轉(zhuǎn)換器以高切換頻率運作的價值，取決于特定應(yīng)用條件，若裝置具備可調(diào)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(chǎn)生的熱能難題。

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

查詢進一步信息，請訪問官方網(wǎng)站http://news.ti.com/zh-tw/content-id-126463。（Kelvin Odom，德州儀器應(yīng)用工程師）
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