可穿戴设备的DC-DC转换器设计考虑因素

对于可穿戴设备,DC-DC转换器必须提供高转换效率,并最大限度地减少相关电源控制IC,电感器,电容器和电阻器的电路板空间。此外,这些“微型”DC-DC转换器必须最大限度地减少元件数量,因此它们的电路板布局简单,并且发生的噪声最小,从而缩短了开发时间。

Torex专注于微型DC-DC转换器产品的设计,包括具有单输出的开关稳压器,集成了控制IC和电感器。封装结构通过考虑产品规格,IC,电感器,发热(散热)和其他特性来确定。以下是Torex用于优化微型DC-DC转换器性能的技术。

第一个设计考虑因素是包装结构,它有三种可能的选择。每个选项都有优点和缺点,如表1 所示。图1显示了电路结构。

图。1:。微型DC-DC转换器的可选结构。(左)TYPE - 1,电感器平放在IC封装上,缩短了开关电流的路径并最大限度地降低了噪声。(中)TYPE - 2,树脂模具将IC芯片安装在电感器顶部。相对便宜,因为可以使用具有通用形状的电感器。(右)TYPE - 3,电感器和IC并排放置在树脂模具中。IC和电感器具有良好的散热性,因此可以使用大电流。

专为降噪而设计

无论设计是否实现降噪,获得电子元件的全部性能都是电路设计中的一个重要问题。然而,即使电源电路是噪声源,元件选择也是最后的。无论所使用的IC的性能有多高,如果电源电路设计不好,将无法从这些组件获得良好的性能。Torex采取各种措施降低微型DC-DC转换器的噪声,包括:

 

  •  使用具有最小漏磁的电感器
  •  调整微型DC-DC转换器的电感特性
  •  优化DC-DC操作
  •  基于对当前路径的考虑来确定引脚分配和结构

 

EMI(电磁干扰)

使用辐射噪声和近磁场强度的测量,我们可以描述在由分立元件(XC9236)和微型DC / DC转换器(XCL206)组成的电源电路中噪声特性实际不同的程度。

图2比较了两种产品XC9236B18DMR-G和XCL206B183AR-G的辐射噪声。XC9236(黑色波形)在50 MHz至300 MHz的宽范围内产生噪声。相比之下,XCL206(黄绿色波形)的噪音水平非常低。即使在相同的工作频率下,差异也很明显。因此,XCL206(微型DC / DC转换器)不需要完全实施噪声测量,这些测量总是倾向于推迟到以后再推迟。在与XCL206具有相同结构的XCL202(频率= 1.2 MHz)上,工作频率降低,噪声更低。

图2.辐射噪声,XC9236B18DMR-G与XCL206B183AR-G测试条件:VIN = 3.7 V(直流电源)VOUT = 1.8 V,IOUT = 200 mA(电阻:9Ω)XC9236B18DMR-G(频率= 3 MHz) ):Cin =4.7μF,CL =10μFXCL206B183AR-G(Freq = 3 MHz):Cin =4.7μF,CL =10μF

 近磁场强度

图3比较了XC9236B18DMR-G \ uc1 \ u8221X和XCL206B183AR-G的近磁场强度。近磁场强度并不总是与不需要的辐射噪声强度直接相关; 然而,它提供了一种有效的方法来识别由于电路板中流动的高频电流引起的噪声源。

图3.近磁场强度,XC9236B18DMR-G与XCL206B183AR-G测试条件:VIN = 3.7 V(直流电源),VOUT = 1.8 V,IOUT = 200 mA(电阻:9Ω)XC236B18DMR-G( Freq = 3 MHz):CIN =4.7μF,CL =10μFXCL206B183AR-G(频率= 3 MHz):CIN =4.7μF,CL =10μF

在50 MHz至300 MHz的频率范围内,橙色和红色在XC9236 IC周围呈环状。可以看出,最强的噪声发生在IC的GND引脚附近。线圈上也可以看到黄色环形噪音。线圈是简单的屏蔽型(混合在树脂中的铁氧体粉末),因此噪声很可能是由于漏磁。相比之下,XCL206(微型DC-DC转换器)没有红色或橙色,并且产生的噪声很小。

可以在没有详细知识的情况下操作微型DC-DC转换器。基本知识足以减少电路元件中的噪音和热量产生,提高元件可靠性并提高产品赞誉。

微型DC-DC转换器仅需要由分立元件组成的常规DC-DC转换器的一半安装空间,因此也有助于节省电路板成本。与线性稳压器相同的电路板空间就足够了。图4 Ç ompares传统DC-DC转换器和微DC-DC转换器的安装空间。

图4. DC-DC转换器和微型DC-DC转换器的安装空间比较。

董事会布局点

GND布线在电路图中看似简单,但是,在某些情况下,印刷电路板上的实际布局非常困难。这不仅仅是简单地建立连接,因为如果连接位置和电路板布局不好,整个系统的性能将会降低。例如,降压DC / DC转换器交替切换开关1(SW1)和开关2(SW2)的开/关,控制电流以稳定输出电压。完成此操作后流过的电流是电流(1)和电流(2)(图5)。

图5.降压DC / DC转换器的电流路径。

当仅电流(1)或电流(2)仅工作时,电流仅流入图6所示的红色布线。当开关1(SW1)和开关2(SW2)被切换时,开关电流瞬间中断,导致布线的L(电感)分量产生电动势。

SW1:ON,SW2:OFF电流1

SW1:OFF,SW2:ON电流2

为降低噪音,图6中的红线必须保持短路。除IC内部的布线外,输入电容(C IN)应放置在DC-DC转换器的V IN - GND引脚附近,并通过短接线连接(图7)。需要注意,因为GND特别会将噪声分散到整个系统中。

图6.降压DC / DC转换器噪声
图7.电路图上的CIN连接位置。

下一个解释是指XCL206(微型DC / DC转换器)的实际测试板。有一个电源GND(PGND)和一个模拟GND(AGND)。在这种情况下,输入电容(CIN)可以通过与电源GND(PGND)的短连接来连接,以使产生的电动势极小的GND图案(红色)区域(图8)。

图8. XCL206印刷电路板布局(顶视图/底视图)。

就XCL206测试板上的引脚分配而言,GND模式的布局似乎只是将电源GND(PGND),TAB和模拟GND(AGND)连接在前面图案的一条线上。然而,从噪声的角度来看,需要谨慎,因为电流路径改变并且C IN的有效性下降,导致负面影响。


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