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封装创新可提高可穿戴设备的DC转换效率

电子设计 ? 2019-03-20 08:16 ? 次阅读

对于可穿戴设备,小尺寸是元件选择的重要因素,包括用于电源的元件。 DC/DC转换器的出现既提供了高转换效率,又通过将转换控制器和密钥无源器件集成到系统级封装模块中,最大限度地缩小了电路板空间,有助于缩小尺寸并简化布局。本文着眼于封装集成有助于减少可穿戴设备的开关转换器尺寸的方式以及处理这些设备时所涉及的设计考虑因素。

可穿戴设备设计提出了许多挑战,但其中一个关键要素是功率效率,不仅仅是能源而是规模。这些设备长时间佩戴,因此需要良好的电池自主性。它们接近皮肤还需要高效转换器,这可以通过开关电源而不是传统的低压差稳压器来提供,这些稳压器在过去一直受到人们的青睐。然而,开关模式设计更加复杂。虽然CMOS集成允许缩小包括片上功率晶体管的有源元件,但传统的DC/DC转换器设计假设使用外部无源元件。这些单独的器件本身可能不会消耗太多的体积,但是当组合使用以支持转换器的操作时,与主SoC相比需要大量的电路板空间。

更大的便携式设计已经能够容忍所需的电路板空间由电源电路。然而,可穿戴性本身具有较小的尺寸,并且对于充电之间的最大时间需要尽可能多的电池容量,在空间方面给系统中的其他组件带来了巨大的压力。

以及提供高转换效率,DC用于可穿戴设备的/DC转换器还必须通过使用更少的设备或将更多的设备包装到更小的空间来最小化电路板空间。较小的尺寸对电路板布局具有连锁效应,因为尺寸限制使得更难以移动元件以最小化噪声和寄生效应并隔离系统的其他敏感部分。因此,需要低噪声元件和拓扑结构来确保高效开关转换技术的干扰不会影响设计的其他部分。

电容器和电感器等无源元件的材料加工技术的进步使其成为可能整体尺寸。为了最大限度地节省总体产量,Murata,Texas Instruments和Torex等制造商已转向采用系统级封装(SiP)技术,以进一步缩小电路板空间。在某些情况下,这些解决方案集成了控制IC和电感以及电容器。

SiP技术允许将元件集成到IC兼容封装中。更短的互连和封装内使用的细间距再分布层不仅可以降低电感和电容,还可以使每个器件使用的连接焊盘比PCB上的连接焊盘小得多。

尽管SiP技术最大限度地减少了功率转换器占用的空间,但仍有一些设计选择,因为单个SiP拓扑结构无法满足所有可能的设计要求。关键问题在于将电感放置在封装内,这就是为什么Torex为其XCL系列微转换器开发了三种形式的SiP。每个微型转换器都包含一个带单输出的开关稳压器,并集成了控制IC和电感器。封装结构通过考虑产品规格,IC,电感器,热性能和其他特性来确定。布局方面有三个主要选项。一种是用电感覆盖控制IC。这在辐射噪声和磁场发射方面是最好的,但往往会增加成本。封装的堆叠特性也减小了电路板空间。

将控制IC堆叠在电感器顶部可降低成本,因为用于连接凸起IC上焊盘的引线键合技术对于堆叠拓扑结构而言具有极高的成本效益。当控制IC被电感器覆盖时,不能使用相同的键合技术。然而,这种形式增加了靠近PCB的磁场强度,因此不能用于对此敏感的设计。与反向配置相比,辐射噪声也略高。此外,热性能恶化,因为无法将热垫连接到控制IC的底部以允许通过PCB去除热量。热量也倾向于在堆叠的元件之间流动。

并排放置IC和电感器会增加所需的电路板面积,尽管SiP焊盘的空间效率提高意味着与实现的相比,这个空间大大减少了无源器件排列在底层PCB上。这种布置允许最大的散热,相对低的成本和辐射噪声以及磁场兼容性,尽管底部控制IC的堆叠配置的噪声性能仍然更好。

与离散相比,微型逆变器在噪声方面表现更好实现,因为它们具有更短的互连。他们现成的设计还减少了PCB设计人员需要做出的布局决策,有助于加快项目进度。主要考虑因素是接地和电源连接的布局和布线,以最大限度地减少寄生效应。

封装创新可提高可穿戴设备的DC转换效率

图1:微型逆变器的SiP配置选择。 (由Torex提供)

XCL201,202,205,206产品是同步降压DC/DC转换器,集成电感器符合顶部电感器格式。整个SiP(包括电感器)占用2.5 mm x 2.0 mm的电路板空间。为了将组合线圈和DC/DC转换器的高度限制为1.0mm,DC/DC转换器IC使用高度为0.4mm的新型超扁平封装。类似的XCL208和209采用更简单的封装结构,将电感放置在DC/DC下方,以降低生产成本。 XCL208和209还提供设置输出电压的能力,但XCL201和202在大多数负载曲线上的功率效率提高了3%。为了减小核心转换器封装的尺寸,需要在外部使用两个电容。

封装创新可提高可穿戴设备的DC转换效率

图2:传统线性转换器与SiP微转换器的热比较。 (由Torex提供)

与Torex一样,Murata在其LXDC系列中开发了一系列DC/DC微型转换器,可选择内部或外部电容器。为了减小核心SiP的尺寸,LXDC2HL需要两个外部电容器,但封装本身尺寸为2.5 mm x 2.0 mm,在封装中使用嵌入式铁氧体衬底来形成电感器元件。控制器IC和电感器之间的连接长度接近于零,进一步有助于降低噪声排放。铁氧体多层基板技术是一种将多达50层不同铁氧体材料压在一起以在器件基板内形成三维电路的工艺。

降压转换器器件设计用于2.3 V至5.5 V电源,如锂离子电池。 2UR和3EP系列将输入和输出电容器集成在铁氧体基板上,稍微增加了封装尺寸,但集成在PCB上时可节省更多空间。 3EP的整体封装尺寸更大,为3.5 x 3.2 mm,但效率更高 - 高达百分之二 - 以及1 A的最大负载高于2UR的600 mA。虽然2UR封装包含电容,但就PCB面积而言,它仅略大于2HL,2.5 mm x 2.3 mm。 Murata微变换器采用开放式框架结构来提高散热性能。

德州仪器(TI)的TPS82740将可穿戴设备的降压转换器封装成尺寸为2.9 mm x 2.3 mm的SiP,其中包括排列在顶部的必要无源元件开架式包装的表面。降压微电路器能够在高负载时从脉冲宽度调制(PWM)模式切换到节能脉冲(PFM)模式。 TPS82740采用新颖的控制方案,将静态电流降至360 nA。在脉冲宽度调制模式下支持高达200 mA的输出电流,当负载降至10μA以下时,器件会切换到低功耗脉冲模式。

TPS82740中的DCS控制机制结合了迟滞和电压模式控制。控制器围绕AC环路构建,可检测输出电压。比较器使用该电压来设置开关频率,该频率对于稳态操作条件是恒定的,并且提供对动态负载变化的即时响应。为了实现精确的DC负载调节,使用电压反馈回路。如果负载电流减小,则转换器进入省电模式以提高效率,开关频率随负载电流几乎线性变化。在脉冲模式下,器件会产生一个开关脉冲,以提升电感电流并为输出电容再充电,然后是一个休眠期,大部分内部电路都会关闭以减少电流消耗。在此期间,负载电流由输出电容支持。

封装创新可提高可穿戴设备的DC转换效率

图3:TI TPS82740的框图。通过利用SiP技术的进步以及控制算法,制造商正在通过为重要电池提供更多空间以及提高整体效率,帮助实现新一代可穿戴设备,从而提供更长的自主性。

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发表于 04-18 20:17 ? 15次 阅读
L88M05T 线性稳压器(LDO),17 V,5 V / 0.5 A.

USB1T1105A 带稳压器的通用串行总线外设收发器

信息USB1T1105A是一款符合通用串行总线规范2.0版的收发器。 该器件可为全速(12Mbit/s) USB应用提供USB接口。 USB1T1105A可提供出色的灵活性,允许差分和单端输入,同时集成稳压器将I/O电平设置为1.65V至3.6V。 利用5.0V至3.3V集成稳压器,可以直接从USB主机(V)驱动元件,以降低从本地源消耗、而用于低电源电压器件的功率。 USB1T1105A对USB总线引脚(D+/D-)提供15kV静电放电(ESD)保护。 这样就不需要任何外部静电放电(ESD)器件,同时还可以为更大、更昂贵的专用集成电路(ASIC)和USB控制器提供出色的保护。 符合通用串行总线规范2.0 5V至3.3V集成稳压器用于驱动视频总线 利用数字输入和输出传输和接收USB电缆数据 支持全速12Mbits/s速度数据速率 适用于便携式电子设备 15kV总线引脚触点HBM ESD保护 3.3mm无引线封装 工业标准HBCC封装,无铅...
发表于 04-18 20:12 ? 12次 阅读
USB1T1105A 带稳压器的通用串行总线外设收发器

TPS51206 具有适用于 DDR2/3/3L/4 的 VTTREF 缓冲参考输出的 2A 峰值灌/拉电流 DDR 终端稳压器

信息描述 TPS51206 是一款具有 VTTREF 缓冲参考输出的灌/拉电流双倍数据速率 (DDR) 终端稳压器。该器件专门针对低输入电压、低成本、低外部元件数的空间受限类系统而设计。TPS51206 可保持快速的瞬态响应,并且仅需 1 个 10μF 的陶瓷输出电容。TPS51206 支持远程感测功能,并且可满足 DDR2、DDR3 和低功耗 DDR3 (DDR3L) 及 DDR4 VTT 总线的所有电源要求。VTT 具有 ±2A 峰值电流能力。该器件支持所有 DDR 电源状态,在 S3 状态下将 VTT 置于高阻态(挂起到 RAM);在 S4/S5 状态下使 VTT 和 VTTREF 放电(挂起到磁盘)。TPS51206 采用 10 引脚、2mm × 2mm SON (DSQ) PowerPAD封装,额定工作温度范围为 –40°C 至 85°C。特性 电源输入电压:支持 3.3V 和 5V 电源轨 VLDOIN 输入电压范围:VTT+0.4V 至 3.5V VTT 端接稳压器输出电压范围:0.5V 至 0.9V 2A 峰值灌电流和拉电流 仅需 10μF 的多层陶瓷电容 (MLCC) 输出电容 ±20mV 精度VTTREF 缓冲参考输出VDDQ/2 ± 1% 精度 10mA 灌/拉电流支持高阻态(S3 状态)和软停止(S4 和 S5 状态),通过 ...
发表于 04-18 20:05 ? 16次 阅读
TPS51206 具有适用于 DDR2/3/3L/4 的 VTTREF 缓冲参考输出的 2A 峰值灌/拉电流 DDR 终端稳压器

1N5925B 10 V,3.0 W齐纳二极管电压稳压器

信息这是一套完整系列的3.0瓦齐纳二极管稳压器,具有严格的限制和更好的工作特性,能够反映氧化硅钝化结的卓越性能。所有这些都采用轴向引线,传递模塑塑料封装,可在所有常见环境条件下提供保护。 齐纳电压范围 - 3.3 V至200 V 3级ESD防护等级(> 16 KV)每个人体模型 浪涌额定值为98瓦@ 1毫秒 最多六个电气参数保证的最大限制 包装不大比传统的1瓦包装 机械特性:表壳:无空隙,传递模塑,热固性塑料 表面处理:所有外表面均耐腐蚀且导线易于焊接 用于焊接目的的最高引线温度:230°C,1/16,从外壳中持续10秒 极性:极性带指示的阴极 安装位置:任意 无铅封装可用 电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 20:00 ? 14次 阅读
1N5925B 10 V,3.0 W齐纳二极管电压稳压器

TLV431 低压精密可调分流稳压器

信息 TLV431系列器件是精密低压并联稳压器,可在1.24V至16V的宽电压范围内进行编程.TLV431A系列具有1.0的保证参考精度在-40°C至85°C的整个工业温度范围内,25°C时的百分比和2.0%。对于TLV431B系列,精度分别为0.5%和1.0%。对于TLV431C系列,精度为0.2%,这些器件具有极低的电流导通特性,在100mA至20mA的工作电流范围内具有0.20的低动态阻抗。这一特性的组合使该系列成为齐纳二极管的绝佳替代品。多个应用电路需要精确的参考电压。当与光耦合器配合使用时,TLV431可用作误差放大器,用于控制隔离低输出电压(3.0V至3.3V)开关电源中的反馈环路。这些器件可用在经济上适用于TO-92和微型尺寸TSOP-5和SOT23-3封装。 电压参考容差+/- 1.0% 急剧低电流导通特性 低动态输出阻抗为0.20 W,从100 A至20 mA 可编程输出电压范围为1.24 V至16 V 微型微型TSOP-5和TO-92封装 无铅封装可用 A = 1.0%公差Vref B = 0.5%公差Vref C = 0.2%公差Vref < / DIV>电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 19:06 ? 15次 阅读
TLV431 低压精密可调分流稳压器

LA6571 功率放大器,5通道驱动器,内置稳压器

信息 LA6571是用于迷你磁盘和光盘应用的5通道驱动器(BTL-AMP:5通道)。 功率放大器5通道内置。 IO max:1 A 内置电平转换电路。 静音电路(输出ON / OFF),内置三个电平通道(2-2-1)。 (对于MUTE1:CH1和2,MUTE2:CH3和4以及MUTE3:CH5中的每一个独立操作。不适用于稳压器(REG)) 内置稳压器(REG)(外部PNP晶体管)。 带外部电阻的电压设置(典型值:1.5V或更高) 过热保护电路(热关机)内置。...
发表于 04-18 19:04 ? 10次 阅读
LA6571 功率放大器,5通道驱动器,内置稳压器

LA5774MP 单独激励的降压开关稳压器(可变型)

信息 LA5774MP是一个单独激励的降压开关稳压器(可变型)。 效率高 只有四个外部元件 集成160 kHz时基发生器 集成电流限制器 集成热关断电路 集成软启动电路
发表于 04-18 19:04 ? 10次 阅读
LA5774MP 单独激励的降压开关稳压器(可变型)

LA5744TP 单独激励的降压开关稳压器(可变型)

信息 LA5744TP是一个单独激励的降压型开关稳压器(可变型)。 高效率 集成300 kHz时间基础发电机 集成电流限制器 集成热关断电路 集成软启动电路
发表于 04-18 19:04 ? 8次 阅读
LA5744TP 单独激励的降压开关稳压器(可变型)

LA5756 单独激励的降压开关稳压器(可变型)

信息 LA5756是一个单独激励的降压开关稳压器(可变型)。 效率高 仅四个外部零件 集成80 kHz时基发生器 集成限流电路 集成热关断电路 集成软启动电路
发表于 04-18 19:04 ? 8次 阅读
LA5756 单独激励的降压开关稳压器(可变型)

LA5757TP 单独激励的降压开关稳压器(可变型)

信息单独激励的降压开关稳压器(可变类型) 效率高 仅需要四个外部部件 集成300 kHz时基发生器 集成电流限制器 集成热关断电路 集成软启动电路
发表于 04-18 19:04 ? 8次 阅读
LA5757TP 单独激励的降压开关稳压器(可变型)

LA5759 单独激励的降压开关稳压器(可变型)

信息 LA5759是一个单独激励的降压开关稳压器(可变型)。 效率高 仅四个外部零件 集成80 kHz时基发生器 集成电流限制器 集成热关断电路 集成软启动电路
发表于 04-18 19:04 ? 8次 阅读
LA5759 单独激励的降压开关稳压器(可变型)

LA5724MC 单独激励的降压开关稳压器(可变型)

信息 LA5724MC是一个单独激励的降压型开关稳压器(可变型)。 时基发生器(160kHz)合并。 电流限制器合并。 内置热关断电路。
发表于 04-18 19:04 ? 8次 阅读
LA5724MC 单独激励的降压开关稳压器(可变型)

Maxim宣布推出超小尺寸MAX20049电源管理IC

双buck转换器和低噪声LDO支持4V-17V宽输入电压范围以及8V-10V的同轴电缆供电(POC)....
的头像 美信半导体 发表于 04-17 18:13 ? 1054次 阅读
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STKNX收发器有多强大?

STKNX的另一个重要特点是硅片上有两只稳压器。第一只稳压器是3.3 V / 5 V,20mA的线性....
的头像 意法半导体IPG 发表于 04-17 18:07 ? 419次 阅读
STKNX收发器有多强大?

开路检测电路中的集成稳压器

集成稳压器又叫集成稳压电路,将不稳定的直流电压转换成稳定的直流电压的集成电路, 用分立元件组成的稳压....
的头像 发烧友学院 发表于 04-17 16:04 ? 246次 阅读
开路检测电路中的集成稳压器

努比亚阿尔法评测 没有办法完全脱离手机

在其它媒体都在上手折叠屏手机的时候,我们点述作为一个不甘示弱的带媒体,今天也来测一款折叠屏设备-努比....
发表于 04-17 15:25 ? 501次 阅读
努比亚阿尔法评测 没有办法完全脱离手机

面对AirPods霸权!Bragi无奈退出可穿戴设备市场

AirPods刚刚发布的时候,有不少公司试图推出类似的无线耳机来与其竞争,Bragi 就是其中比较有....
的头像 OFweek可穿戴设备网 发表于 04-17 08:27 ? 811次 阅读
面对AirPods霸权!Bragi无奈退出可穿戴设备市场

“智能手环”背后的繁荣与乱象

随着5G技术的推广更加便捷的智能手环正跃跃欲试要部分甚至全部的取代手机。
的头像 OFweek可穿戴设备网 发表于 04-17 08:26 ? 597次 阅读
“智能手环”背后的繁荣与乱象

Bragi已宣布出售其可穿戴设备业务,退出可穿戴设备市场

Bragi 在 2014 年通过 Kickstarter 启动了 The Dash 耳机项目,众筹了....
的头像 OFweek可穿戴设备网 发表于 04-16 17:54 ? 754次 阅读
Bragi已宣布出售其可穿戴设备业务,退出可穿戴设备市场

如何最小化SEPI 转换器的排放?

为了创建一个辐射干扰尽可能低的优化电路板布局,开关模式稳压器的热回路必须尽可能小—也就是说,寄生电感....
的头像 贸泽电子设计圈 发表于 04-16 11:51 ? 842次 阅读
如何最小化SEPI 转换器的排放?

华为何刚:可穿戴设备市场持续快速增长或迎来爆发点

何刚介绍称,华为凭借着去年年底发布的智能手表WATCH GT、Talkband B5等产品在Q4跻身....
的头像 OFweek可穿戴设备网 发表于 04-16 10:03 ? 512次 阅读
华为何刚:可穿戴设备市场持续快速增长或迎来爆发点

可穿戴设备市场持续快速增长 或迎来爆发点

“我觉得可穿戴设备应该是到了一个爆发点,如今人们选择可穿戴设备的目的是为了能够真正了解自己运动和健康....
的头像 OFweek可穿戴设备网 发表于 04-16 09:50 ? 298次 阅读
可穿戴设备市场持续快速增长 或迎来爆发点

JESD204B-01协议规范的详细资料说明

本规范描述了数据转换器和逻辑设备之间的串行接口。它包含规范性信息,使设计人员能够实现与本规范涵盖的其....
发表于 04-16 08:00 ? 47次 阅读
JESD204B-01协议规范的详细资料说明

2SA1301 PNP平面硅晶体管的数据手册免费下载

本文档的主要内容详细介绍的是2SA1301 PNP平面硅晶体管的数据手册免费下载主要应用于:音频功率....
发表于 04-16 08:00 ? 85次 阅读
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华为正式推出旗下首款可穿戴智能眼镜“EyeWear”,支持无线充电

P30系列国行发布会上,华为还正式推出了旗下第一款可穿戴智能眼镜“EyeWear”,联合潮流墨镜品牌....
的头像 OFweek可穿戴设备网 发表于 04-15 11:48 ? 936次 阅读
华为正式推出旗下首款可穿戴智能眼镜“EyeWear”,支持无线充电

可穿戴设备日益成为未来战场应用的“新宠”

可穿戴设备是穿戴在人身上或整合到衣服里、具备智能特征的便携式设备。
的头像 OFweek可穿戴设备网 发表于 04-15 11:38 ? 352次 阅读
可穿戴设备日益成为未来战场应用的“新宠”

ACDC和DCDC电源最佳EMI性能的实现

电磁干扰(EMI)始终是开关电源(AC-DC和DC-DC转换器)的潜在问题。如今的电源有很好的电磁发....
发表于 04-14 09:02 ? 259次 阅读
ACDC和DCDC电源最佳EMI性能的实现

Apple宣布推出Beats品牌的新型无线耳塞

最后,Beats完全重新设计了最新的Powerbeats。“为了在最广泛的耳朵上实现最佳匹配,超过2....
的头像 OFweek可穿戴设备网 发表于 04-13 10:22 ? 1478次 阅读
Apple宣布推出Beats品牌的新型无线耳塞

华为何刚表示整个健康类腕上设备市场已经到了一个爆发点

智能手机奔跑的速度已经慢下来,智能穿戴、智能家居已然成为新的风口,各大厂商都在积极布局AIoT。
发表于 04-13 10:16 ? 307次 阅读
华为何刚表示整个健康类腕上设备市场已经到了一个爆发点

AD5410和AD5420转换器的数据手册免费下载

AD5410/AD5420是一种低成本、高精度、完全集成的12/16位转换器,提供可编程的电流源输出....
发表于 04-12 17:30 ? 53次 阅读
AD5410和AD5420转换器的数据手册免费下载

可穿戴生物芯片在单细胞传感和基因转染中的应用

本文评论和展望了单细胞传感和基因转染佩戴式生物芯片的研究。
的头像 MEMS 发表于 04-12 16:40 ? 750次 阅读
可穿戴生物芯片在单细胞传感和基因转染中的应用
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