Размещение компонентов преобразования питания на основной печатной плате требует тщательной оценки и вносит дополнительные факторы, такие как рассеивание тепла, электробезопасность и электромагнитные помехи (ЭМП).
В этой статье мы обсудим некоторые решения, которые разработчики должны учитывать при выборе компонентов питания и преобразования для плат в различных встроенных системах в промышленном контексте.

Источник питания: важнейший элемент любой конструкции.
Встроенные системы повсюду: они управляют бытовой техникой, отслеживают домашних животных, управляют промышленными процессами и отбирают пробы почвы на далёких планетах. Инициативы по повышению эффективности промышленности, такие как Индустрия 4.0, стимулировали развитие промышленного Интернета вещей (IIoT), ускорив потребность в маломощных датчиках и исполнительных механизмах на рассредоточенных и удалённых производственных объектах. Дистанционный мониторинг урожая и другие сельскохозяйственные приложения перенесли IoT в поля и создали проблему для инженеров, которым необходимо было обеспечить адекватное беспроводное соединение и методы питания с длительным сроком службы.
Одним из важнейших элементов при проектировании нового встроенного продукта является определение источника питания, поскольку это будет определять общий бюджет энергоснабжения. Количество доступной энергии также повлияет на некоторые функции и возможности продукта. Например, большие ЖК-экраны потребляют много энергии во время работы, что делает использование батарей нецелесообразным. Аналогично, высокоскоростные беспроводные протоколы, такие как Wi-Fi, также потребляют много энергии по сравнению с приложениями, разработанными для таких сценариев использования, как Bluetooth® Low Energy.
Приложения, питающиеся от линий электропередачи, являются хорошим решением для электроснабжения, но они имеют конструктивные ограничения, такие как изоляция, преобразование энергии, теплоотвод и доступное пространство в корпусах.

Варианты питания:
Источник питания для встроенной системы имеет различные характеристики, каждая из которых обладает определенным набором технических атрибутов. Источники питания, методы преобразования, управление и сеть электроснабжения являются основными дискретными функциями архитектуры питания. Хотя требования к питанию в каждой конструкции могут сильно различаться, это наиболее важные элементы, которые инженеры должны учитывать.
Источники питания: Существует несколько популярных методов питания встроенной системы, таких как электросети, перезаряжаемые или неперезаряжаемые батареи и сбор энергии (с одним или несколькими источниками). Нужен ли нам второй источник на случай отключения электроэнергии в приложениях, использующих электросети? Если да, то как долго должно быть доступно резервное питание? Аналогично, в приложениях на основе батарей необходимо знать желаемую продолжительность между зарядками или заменами батарей. Методы сбора энергии являются популярным способом продления срока службы батарей за счет поддерживающей зарядки. Для некоторых сверхнизкопотребляющих приложений может быть возможно заменить батарею суперконденсатором и микросхемой управления питанием с функцией сбора энергии (EH PMIC). Для датчиков IIdC предпочтительными методами являются сбор солнечной, тепловой или вибрационной энергии.
Преобразование питания: Какие напряжения потребуются в интегрированной системе? Достаточно ли одного источника питания 3,3 В постоянного тока, или необходимы дополнительные линии (например, 1,8 или 5 В постоянного тока) для конкретных устройств или периферийных устройств? Каковы характеристики потребления тока на каждой линии питания? Есть ли у нас данные о профилях потребления? Системы с питанием от сети потребуют как минимум одного этапа преобразования напряжения (например, с 240 В переменного тока на 3,3 В постоянного тока). DC/DC-преобразователь может обеспечить дополнительные линии постоянного тока для снижения этого значения 3,3 В постоянного тока до 1,8 В постоянного тока или для повышения его до 5 В постоянного тока.
Сеть питания: Более сложные встроенные приложения могут потребовать сети питания (PDN), например, многовольтных линий, рассмотренных ранее. Распределение питания на печатной плате может потребовать специальных знаний, поскольку некоторые микросхемы особенно подвержены электромагнитным помехам и даже переходным процессам с высоким dV/dt. Разработчикам также необходимо учитывать, следует ли размещать DC/DC-преобразователи вблизи точки нагрузки. Кроме того, для некоторых сложных интегральных схем может потребоваться последовательное питание.
Ограничения в проектировании питания: Некоторые встроенные продукты, такие как медицинские устройства безопасности, могут подлежать соответствию нормативным требованиям. Изоляция является решающим фактором при выборе преобразователя переменного/постоянного тока или постоянного/постоянного тока. Для медицинских применений это рассматривается в международно признанном стандарте безопасности IEC 60601. Энергоэффективность также является регулируемой характеристикой. Например, правила уровня VI предусматривают, что потребление энергии без нагрузки от сети должно быть менее 0,3 Вт. Преобразователи и источники питания также должны соответствовать требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС) и электромагнитных помех (ЭМП).
Управление питанием и технические характеристики: Если изделие включает перезаряжаемую батарею, микросхема управления питанием (PMIC) контролирует состояние заряда батареи (SOC) и соответствующим образом устанавливает зарядный ток. PMIC также управляет разрядными характеристиками батареи и определяет, когда следует изолировать нагрузку, чтобы предотвратить повреждение и нестабильную работу системы. Для связи между PMIC и преобразователем с основным микроконтроллером обычно используются протоколы PMBus, SPI или I²C.
Реализация источника питания: для большинства приложений (некоторые из которых мы обсудим в следующем разделе) инженерная группа должна выбрать интегрированный модуль или компонент. Однако дискретный подход может быть приемлемым, если команда не может обеспечить необходимые напряжения питания с помощью коммерчески доступных компонентов. Читайте дальше , чтобы узнать больше об устранении неполадок, связанных с проектированием источников питания.

Типичные компоненты источников питания:
Одним из примеров источников питания переменного/постоянного тока является серия одновыходных источников питания CUI Inc. PBO-15C (Рисунок 1). Серия PBO-15C мощностью 15 Вт выполнена в корпусе SIP (Season In-Line Package) с открытой рамой для вертикального или горизонтального монтажа на печатных платах. Эта серия принимает распространенный диапазон входного напряжения от 85 до 305 В переменного тока и доступна для популярных номинальных напряжений (от 3,3 до 24 В постоянного тока). Выход гальванически изолирован от входа с номинальным напряжением до 3000 В переменного тока в минуту. Серия PBO может использоваться в промышленных приложениях и системах «умного дома»; она также соответствует требованиям IEC 62368 и относится к классу II (заземление не требуется).

Рисунок 1: Серия одновыходных источников питания переменного/постоянного тока CUI Inc. PBO-15C мощностью 15 Вт может использоваться в промышленных приложениях и системах «умного дома». (Источник: CUI Inc.)

Данная линейка также соответствует стандартам EN55032 по электромагнитной совместимости (ЭМС) и устойчивости к излучению и проводимости. Регулировка по линии — то есть, как изменяется выходное напряжение при изменении входного напряжения — составляет лучше, чем +/-0,5% при полной нагрузке. Регулировка по нагрузке — то есть, как изменяется нагрузка на выходное напряжение — составляет +/-1,0% для нагрузки от 0 до 100% на модели 5 В постоянного тока. Потребляемая мощность без нагрузки при напряжении 230 В переменного тока составляет 0,25 Вт, а энергоэффективность обычно превышает 82% для моделей с выходным напряжением 9 и 24 В постоянного тока. Для приложений с питанием от батарей или уже использующих преобразователь переменного/постоянного тока линейный регулятор может предложить компактный, практичный и недорогой способ обеспечения стабилизированного постоянного напряжения. Примером трехвыводного линейного регулятора является STMicroelectronics L78L12ACZ-TR . Микросхема L78L12 выполнена в корпусе TO-92-3 для монтажа в отверстия и обеспечивает стабилизированное выходное напряжение 12 В постоянного тока и ток до 100 мА при входном напряжении от 14 до 35 В постоянного тока. Серия регуляторов L78L предлагает все распространенные номинальные напряжения от 3,3 до 24 В постоянного тока. Регулятор потребляет ток холостого хода 6,5 мА. Простая конструкция линейных регуляторов обеспечивает низкий уровень шума, что делает их подходящими для применений, где шум проводимости может влиять на производительность системы (например, точное аналого-цифровое преобразование). Другой тип малошумящих линейных регуляторов — это регулятор с низким падением напряжения (LDO), такой как Analog Devices ADP151 , сверхмалошумящий линейный регулятор на 200 мА. LDO имеет очень небольшую разницу между выходным и входным напряжениями. ADP151 имеет падение напряжения 140 мВ по сравнению с 2 В у L78L12, о котором мы уже говорили. Микросхема ADP151 может обеспечивать ток до 200 мА при входном напряжении от 2,2 до 5,5 В постоянного тока и является хорошим выбором для приложений с питанием от батарей и малошумящих аналого-цифровых преобразователей, а также для чувствительных к шуму радиочастотных приложений. Ток покоя (без нагрузки) составляет всего 10 мкА. На рисунке 2 показана внутренняя архитектура ADP151, включающая операционный усилитель, внутренний источник опорного напряжения и проходной PMOS-транзистор. Рисунок 2: Внутренняя архитектура сверхмалошумящего линейного регулятора Analog Devices ADP151. (Источник: Analog Devices)

Линейные стабилизаторы чрезвычайно популярны, но они не могут обеспечить выходное напряжение выше входного. В зависимости от топологии (т.е. способа преобразования), импульсные DC/DC-преобразователи могут достичь этого, обеспечивая при этом выходное напряжение ниже входного. DC/DC-преобразователи — это практичный, экономичный и компактный способ получения питания для интегральных схем. Существуют различные топологии DC/DC-преобразователей. Некоторые обеспечивают гальваническую развязку между входом и выходом, в то время как другие не имеют изоляции. Большинство основаны на двух типах преобразователей или являются их модификациями: понижающих и повышающих преобразователей.
Примером компактного DC/DC-преобразователя с одним выходом является серия XP Power IZB (рис. 3). Это 3-ваттные изолированные и регулируемые преобразователи, заключенные в стандартный промышленный корпус SIP8. Они доступны в различных комбинациях входного (2:1) и выходного напряжения, с типичными номинальными значениями от 3,3 до 24 В постоянного тока. КПД обычно составляет от 68% до 84%, в зависимости от конкретного устройства. Стабилизация напряжения по сети превышает 0,5% при изменении входного напряжения на 1%, а стабильная стабилизация напряжения под нагрузкой составляет менее 1% до полной нагрузки. Частота переключения составляет 250 кГц при всех условиях нагрузки.

Изображение 3: Серия изолированных DC/DC преобразователей XP Power IZB в корпусе SIP8. (Источник: XP Power)

Еще один импульсный DC/DC-преобразователь — серия Traco TSR 1.5E без изоляции (рис. 4). Он может обеспечивать ток до 1,5 А при входном напряжении от 7 до 36 В постоянного тока (от 15 до 36 В постоянного тока для модели с выходным напряжением 12 В), и доступны модели с напряжением 3,3, 5 и 12 В постоянного тока. КПД обычно составляет 95% во всем диапазоне.

Рисунок 4: Компактные и высокоэффективные DC/DC-преобразователи Traco TSR 1.5 E предназначены для использования в системах зарядки. (Источник: Traco)
Как упоминалось ранее, некоторым портативным устройствам с батарейным питанием требуется схема для зарядки батареи и обеспечения стабилизированного напряжения питания. Для таких схем возможным решением является микросхема управления питанием Maxim Integrated MAX77654, высокоинтегрированный, сверхнизкопотребляющий PMIC. MAX77654 — это трехвыходной, одноиндукторный, многовыходной (SIMO) понижающе-повышающий преобразователь, способный обеспечивать программируемые выходные напряжения от 0,8 до 5,5 В постоянного тока. Также доступны независимые и двойные LDO-выходы на 100 мА.
PMIC MAX77654 оптимизирован для небольших литий-ионных батарей с программируемыми зарядными токами и расширенными функциями мониторинга батареи, такими как измерение температуры с использованием стандартных методов терморегулирования JEITA.

Выбор источников питания для встраиваемых систем: В этой короткой статье мы обсудили некоторые из наиболее важных факторов, которые следует учитывать при выборе способа питания встраиваемых систем. Тип приложения и предполагаемые сценарии использования будут определять требования к напряжению и току. Как мы уже видели, существуют и другие технические элементы, которые следует учитывать, такие как эффективность, доступное пространство на плате и связь с основным процессором. Дополнительные технические ресурсы по управлению источниками питания можно найти на веб-сайте Mouser здесь

Автор: Марк Патрик, Mouser Electronics