如何在單板計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中使用大功率 DCDC

1.前言

用于工業(yè)應(yīng)用的單板計(jì)算機(jī)曾經(jīng)僅用作處理人機(jī)界面 (HMI) 的簡(jiǎn)單邏輯控制器，提供各種控制功能和網(wǎng)絡(luò)通信。今天，單板計(jì)算機(jī)充當(dāng)工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)和工廠自動(dòng)化中使用的復(fù)雜系統(tǒng)的大腦。

為提供所需的處理能力，當(dāng)前一代單板計(jì)算機(jī)包含 16 個(gè)核心中央處理器 (CPU)、256 GB 雙倍日期速率 4 內(nèi)存、多個(gè) 10 Gb 以太網(wǎng)和 USB 端口、數(shù)字 I/O 和串行高級(jí)技術(shù)附件界面。下一代系統(tǒng)還包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列、圖形處理單元和專用集成電路，能夠運(yùn)行人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，用于語(yǔ)音控制、對(duì)象識(shí)別、預(yù)測(cè)性維護(hù)和過(guò)程優(yōu)化等。

所有這些處理能力在數(shù)據(jù)中心里都不是很酷很舒服。CPU 必須在生產(chǎn)線或化學(xué)處理設(shè)施的惡劣環(huán)境中 24/7 可靠運(yùn)行。 

單板計(jì)算機(jī)日益增長(zhǎng)的處理要求，以及在惡劣環(huán)境中對(duì)高可靠性的需求，給電源管理帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。高性能單板計(jì)算機(jī)的功耗可以輕松達(dá)到 25 W 及以上。環(huán)境工作溫度可以達(dá)到 85?C，幾乎沒(méi)有空氣冷卻。小尺寸需要多層印刷電路板 (PCB) 堆疊，這會(huì)增加高熱應(yīng)力和噪聲敏感性。因此，您選擇的任何電源解決方案都不會(huì)使熱負(fù)載變得更糟。

值得慶幸的是，半導(dǎo)體工藝和封裝技術(shù)已經(jīng)進(jìn)步，可以滿足高性能工業(yè)單板計(jì)算機(jī)的電源管理需求。如果您正在為在惡劣環(huán)境中運(yùn)行的高性能處理應(yīng)用設(shè)計(jì)電源解決方案，您需要能夠最大限度地減少散熱、輻射噪聲和解決方案尺寸的轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和更低的系統(tǒng)成本。圖 1 是用于機(jī)器人系統(tǒng)控制的高性能 CPU 板的框圖。

圖 1：用于機(jī)器人系統(tǒng)控制的高性能 CPU 板框圖

2.電源管理挑戰(zhàn)

工廠自動(dòng)化和控制、機(jī)器人和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等工業(yè)應(yīng)用使用電源單元 (PSU)，該電源單元將 24 V 總線分配給 CPU 板等系統(tǒng)中的組件供電。該 PSU 的輸出在各種操作條件下介于 10 V 和 32 V 之間。再加上偶爾的瞬態(tài)電壓尖峰，您需要一個(gè)工作電壓高達(dá) 36 V 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，并且可以在不影響可靠性的情況下處理瞬態(tài)。

高性能 CPU 和邏輯電路的工作電壓通常為 5 V 或 3.3 V，功耗為 20 W 至 30 W。您可能希望考慮的一種轉(zhuǎn)換器是 TI 的LM61460，它將 24V 標(biāo)稱輸入轉(zhuǎn)換為邏輯電平電源電壓，并接受 3.0V 至 36V 的輸入電壓和 42V 瞬變。

3.熱挑戰(zhàn)

熱量是任何高性能計(jì)算應(yīng)用程序的主要挑戰(zhàn)。電源管理解決方案不會(huì)降低系統(tǒng)的熱工作范圍。圖 2 顯示了LM61460的典型效率曲線。其滿載時(shí)的峰值效率超過(guò) 93%，顯著降低了 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的熱量貢獻(xiàn)。

圖 2：LM61460 的效率圖表

圖 3 顯示了LM61460在滿載條件下運(yùn)行時(shí)的熱圖像。由于采用 DC/DC 解決方案，測(cè)得的 PCB 至環(huán)境熱系數(shù)為 19.7°/W，因此 PCB 溫升較低。高轉(zhuǎn)換效率最大限度地減少對(duì)流熱。

圖 3：LM61460 的熱圖像顯示滿載時(shí)溫升 37?C，PCB 到環(huán)境的熱系數(shù)為 19.7?C/W

4.電磁干擾和噪聲挑戰(zhàn)

高性能數(shù)字系統(tǒng)對(duì)噪聲很敏感。DC/DC 開(kāi)關(guān)電源可能是一個(gè)重要的噪聲源，它會(huì)耦合到敏感的數(shù)據(jù)線中，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤。這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的高瞬態(tài)電壓會(huì)產(chǎn)生可輻射到整個(gè)系統(tǒng)的高頻諧波。為了解決這個(gè)問(wèn)題，選擇提供噪聲最小化功能的轉(zhuǎn)換器。

的LM61460有助于最小化輻射和傳導(dǎo)噪聲在緊湊的系統(tǒng)可以肆虐通過(guò)使設(shè)計(jì)工程師，以控制交換節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換速率。壓擺率控制降低了開(kāi)關(guān)波形的高頻諧波含量，從而降低了諧波的能量。圖 4 顯示了使用 RBOOT 控制驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的壓擺率控制功能。

圖 4：使用 RBOOT 控制驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換率控制功能

設(shè)計(jì)高性能 CPU 板以滿足當(dāng)今工廠自動(dòng)化和控制系統(tǒng)的處理要求具有挑戰(zhàn)性。先進(jìn)的處理能力推動(dòng)了對(duì)更高輸出功率的需求，而功率的增加則推動(dòng)了對(duì)更高效電源解決方案的需求。熱和電磁干擾問(wèn)題可能導(dǎo)致功能設(shè)計(jì)失敗，使設(shè)計(jì)人員重新回到繪圖板。為避免這些問(wèn)題，請(qǐng)考慮使用高 V IN 、安靜的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，例如LM61460。