祝微型系统级封装 (MicroSiPTM) 生日快乐！就在5年前的这个月，TI宣布推出针对空间异常受限应用（诸如个人电子设备）的非常具有创新性的电源解决方案。最初的TPS82671全集成降压转换器模块为全系列器件打开了销路。这一系列器件将全部所需无源组件包含在2.3mm x 2.9mm封装内。你无需添加输入电容器、输出电容器、功率电感器或反馈电阻器；这一切都已经包含在内！图1显示的是MicroSiP器件。
图1：MicroSiP器件包括全部所需组件
TI所具备的集成半导体IC和机械基板的共同设计能力使其能够在1.6A TPS8268180 (435W/cm3) 系列和3A TPS82085 (1370W/cm3) 系列内提供业内领先的功率密度。TPS8268180在最小尺寸封装内提供最高电流，并且具有针对光模块等通信设备的低噪声。特别是在光模块中，用模块化的电源节省任一小块儿的印刷电路板 (PCB) 空间将为整个系统增加额外通道或数据吞吐量…
在我的上一篇关于EE时代的电源技巧博文中，我讨论了如何使用一个双开关反激式电路来提升低功耗隔离式转换器的效率。与单开关反激式电路相比，双开关反激式电路的主要代价就是需要一个浮动的高侧驱动。一个栅极驱动变压器通常用于双开关反激式电路的高侧FET，而栅极驱动变压器的使用是需要一些技巧的。如果磁芯没有在每个周期内正确复位，那么它就有可能饱和。
其中一个最常见的驱动技术就是使用一个与驱动绕组串联的AC耦合电容器。这个电容器将平均电流强制为0A，这就确保了变压器不会饱和。然而，它仍然有可能在瞬态时饱和，而驱动信号的DC信息将会在驱动变压器的次级侧上丢失。
图1显示的是在没必要使用耦合电容器时驱动一个变压器的简单方法。当驱动信号变为高电平时，小信号FET，Q2接通，而驱动电压被施加在变压器的绕组上。当驱动信号变为低电平时，它将绕组的同名端下拉至接地，并且关闭Q2。当Q2关闭时，变压器内的磁化电流正向偏置D1，在相反的方向上，将VDD施加在变压器绕组上…
你的空间是不是局促有限？相对于之前的设计，你的下一个设计是不是印刷电路板 (PCB) 的面积更小？你是不是已经厌倦了只在一个电源中就要管理10个，甚至20多个组件？如果你对所有这些问题回答都是肯定的，那么就请用MicroSiP模块来实现更小的空间占用，并且简化你的生活吧！
将3A的输出电流塞入到一个2mm x 2mm封装内，而效率超过90%，曾经是我们设计团队的一个“伟大壮举”。不过，对于同样的集成电路 (IC)，如何只增加额外4.4mm2 的PCB面积就将能功率电感器包含在内（通常占用5和15mm2的PCB面积）呢？目前，这是一项突破性进展。事实上，3A转换器的最近发展可以被以下内容所概括：
这周末雨下得很大，所以我决定处理一个已经搁置了很多的项目。我去到了硬件商店，买了一些LED灯泡，然后将它们都安装在我房子的周围。在完成了所有这些重体力劳动后，我决定在电视机前消磨些时间，追一追之前已经录好的“创智赢家”真人秀。由于我是干电源的出身，所以我注意到房间内的很多墙插式适配器和家用电器也会浪费电能（就和我一样J），并且想到如何满足能源之星的要求才能真正地有助于节约资源。
满足能源之星要求，以保持能效，这件事一直是一项设计挑战。随着住宅中消费类设备的数量越来越多，从电网中取电，设计人员想要在不增加成本或复杂度的同时提升轻负载效率。我发现，如果美国境内销售的所有机顶盒都符合能源之星标准的要求，那么每年能够节省18亿美元，减少240多亿磅的温室气体排放。
显而易见，AC/DC电源是实现高效节能的症结所在，不过负载点 (POL) DC/DC转换器也能够帮助设计人员符合能源之星的要求。德州仪器 (TI)…
几星期前，在机场候机时，我发现登机门前的很多座位上安装了内置的USB端口，这让我既惊讶又高兴。如图1所示，除了两个AC插座外，大多数座位有2个USB端口。
我记得，就在几年前，机场内的USB墙式插座还很少见。而如今，内置USB充电器变得越来越常见，即使在咖啡厅和餐饮连锁店内也能看到它们的身影。目前，新建房屋都有USB墙式充电器，而对现有的房屋进行装修和翻新时，也会用USB充电器取代老式的AC插座。很明显，免适配器充电提供了快速充电的便利性，同时也提高了整洁度。
图1：机场候机楼座椅上的内置USB端口
考虑到USB墙式充电器的采用范围越来越广泛，我想在这里给出一些与基本设计挑战和注意事项相关的观察所得。最不寻常的挑战就是如何满足严格的热性能要求，以符合安全规范。与外部或便携式AC/DC适配器设计不同，一个内置USB墙式充电器只能通过插座的安全盖散热。安全盖后面的一组或双组插座盒被隔热材料所包围。前面板不能超过60oC。图2显示的是一个单组插座盒的示例…
由于经济原因和对环境的关注，电力转换系统效率变得越来越重要。80 Plus中定义的效率级别需要达到96%才能获得钛金等级认证。要实现如此之高的效率，使用传统拓扑的电源公司将面临巨大的设计挑战。
一个离线电源由功率因数校正 (PFC) 和一个DC/DC转换器组成。PFC强制输入电流随输入电压的变化而变化，这样的话，任何的电器负载将表现为一个电阻器。为了提高效率，人们已经研究了不同的PFC拓扑，其中包括传统PFC、半无桥式PFC、双向无桥PFC和图腾柱无桥PFC。在所有这些不同的PFC拓扑中，由于其使用的组件数量最少、具有最低传导损耗，并且提供的效率最高，图腾柱PFC引起了人们越来越多的关注。
图1显示的是一个图腾柱PFC结构。与传统的PFC相比，电力传导路径只包含一个二极管，而不是两个。此外，碳化硅 (SiC) 二极管被MOSFET所取代，以实现同步整流。电力传导损耗也因此降低。除此之外，可用普通MOSFET 取代D1和D2…
LM317-N曾经是首个可调电压稳压器，推出时间要追溯到1975年。作为恒定电压电源，它仍在行业中得到广泛使用。不过，你知道吗，这种器件的功能可不仅仅是调节电压？它的多用途架构使你不但能够将其用为电压稳压器，还可以用作一款功能很棒的恒定电流LED驱动器。
稍等一下。在增加一个电流限制电阻器的情况下，任何线性稳压器都可以被用于LED照明。。。LM317-N到底有什么不同呢？嗯，实际上，不是它的新功能，而是LM317-N之前的功能才使得它成为一种简单LED驱动器。
如果你熟悉它的架构，那么这一点就很容易理解了。请见图1，其中显示的是一个功能电路。一个连接为单位增益缓冲器的运算放大器驱动一个功率达灵顿晶体管对。这样的运算放大器与稳压器偏置电路的排列方式使得全部静态电流被传送到稳压器输出上（而不是接地），从而免除了对于单独接地端子的需要。此外，所有电路被设计为在稳压器的2V至40V输入至输出差分电压范围内运行。
图1. LM317…
在这个博客系列的第1部分，我介绍了锂离子电池内电池保护功能的重要性。在这篇文章中，我将介绍创建安全和健康电池组所需的其它两个元件：采集电池组中每节电池的诊断信息，并提供保护功能的监视器，以及智能计算电池荷电状态和健康水平的电量计。
监视器（模拟前端 (AFE)）
由于保护功能是所有电池组电子元件的主要功能，一般的电池组器件都配备有某些级别的保护功能。例如，一个电池监视器（模拟前端 [AFE]）被设计为实现以下功能，或混合功能：
如你所见，监视器提供针对电池组的关键功能。这些功能使得监视器对于电池组来说极其重要…
图1：基于功能和串联电池节配置的TI电池组选型指南
在为便携式应用选择锂离子电池组时，不论是智能手表还是电动自行车，这项任务并不像它看起来那么让人望而怯步。锂离子电池组有3个基本功能：保护、监视和电量计量。这3个功能通常由单个器件处理；然而，某些器件能够用集成度更高的解决方案来实现多个功能。事实上，由合适组件组成的电池组和这3个功能将提高系统性能、提供更多保护，并且能够实现更长的运行时间。在这个系列的第1部分，我将深入探讨电池保护。连同下面给出的信息，你一定要看一看上面的选型指南，以帮助你根据电池的大小来选择正确的器件，在这里1S表示1 = 1节串联，2S = 2节串联，等等。
保护
电池组器件包含多种特性；然而，保护是它们的主要功能，在选择器件时应该将其作为主要考虑因素。有两种不同的保护类型：
[情景：Greg Waterfall和Jim Bird在参加完当天的第5次会议后，正在收拾行李去餐厅。]
Greg：Jim，整天背着这些给不同的电子设备充电的充电器和电缆真是让我烦透了。我的家里更是让这些玩意儿弄得一团糟。家里的手机、笔记本电脑、相机和玩具的充电器好像都不相同。
Jim：我也很讨厌这样。我笔记本电脑包里的充电硬件大约有3磅重，我还要整天背着它们到处转。不过，好消息是Type-C就要来了。。。嗯，实际上它已经来到我们身边了。
Greg：Type-C？你是说USB Type-C吗？它不就是一种新型的USB接头儿吗？哼，这真是太棒了。看起来我又得多背一个适配器了。他们为什么要多此一举呢？
Jim：别担心！USB Type-C正在解决这诸多让你头疼的问题呢。作为一项技术规格，Type-C与它的兄弟USB电力传输 (PD) 将用一个或两个适配器满足你的全部充电需求。此外。。。这项技术很值得期待。。。它只使用一条电缆…
诸如手机和平板电脑等便携式设备能够实现比以前更快的充电速度。要获得快速的充电时间，充电器件上的电压必须保持在适当的水平上。如果不这样的话，充电器有可能将充电电流减少到较低（不过仍然是可以接受的）电平，最终延长了总体充电时间。充电电缆上的电压下降会导致电压不足。我们看一看这会对通用串行总线 (USB) 电缆造成哪些影响，以及如何应对可能出现的问题。
一个常见的USB电缆接口接触电阻大约为30mΩ。由于有4个触点（电缆每端两个），这表示总电阻为0.12Ω。假定每条电源线的长度为1m，并且使用的是一条标准24AWG线缆，那么总的线缆电阻为0.166Ω。预计的电缆和触点总电阻为0.286Ω。如果5V转换器被设计用来提供一个最大值为2.1A的输出电流，那么电缆上的预期压降将为0.6V。对于5.0V的固定转换器电压，电缆末端上的电压将下降到4.4V。对于USB设备来说，这个电压值为较低的电压限值，高电流负载产生潜在问题的原因显而易见。使用更重的USB电缆会有所帮助…
正如笔者在第1部分中所提，专用于电源管理的印刷电路板（PCB）面积对系统设计人员而言是极大的约束。降低转换损耗是一项基本要求，以便能在PCB基板面有限的空间受约束型应用中实现紧凑的方案。
在电路板上具有战略意义的位置灵活部署转换器的能力也很重要 —— 以大电流负载点（POL）模块为例，处于邻近负载的最佳位置可降低导通压降并改善负载瞬态性能。
请细看图1中外形微缩的降压型转换器的功率级布局。作为一个嵌入式POL模块实施方案，它采用了一个全陶瓷电容器设计、一个高效屏蔽式电感器、若干垂直堆叠的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、一个电压模式控制器以及一个具有2盎司覆铜的六层PCB。
图1：25A同步降压型转换器PCB布局和实施方案
本设计的主要原则是实现高功率密度和低材料清单（BOM）成本。它总共占用的PCB面积为2.2cm2（0.34in2），每单位面积产生的有效电流密度为11…
DC/DC转换器的高密度印刷电路板（PCB）布局 —— 第1部分
在当今这个竞争激烈的时代，产品设计人员面临的挑战是：不仅要紧跟同行步伐，而且要保持领先群雄的地位。这就对那些欲借助差异化产品进行创新的系统设计人员提出了更高的要求。
创新的一种重要方法是使用高密度设计。为推出占位面积更小的解决方案，电源系统设计人员现在正集中研究功率密度（一个功率转换器电路每单位面积或体积的输出功率）的问题。
高密度直流/直流（DC/DC）转换器印刷电路板（PCB）布局最引人瞩目的范例涉及功率级组件的放置和布线。精心的布局可同时提高开关性能、降低组件温度并减少电磁干扰（EMI）信号。请细看图1中的功率级布局和原理图。
图1：四开关降压-升压型转换器功率级布局和原理图
在笔者看来，这些都是设计高密度DC/DC转换器时所面临的挑战：
有一款全新的WEBENCH设计面板，它在支持WEBENCH的电压稳压器产品文件夹内为你提供整个WEBENCH设计的完全预览。这款最新设计的面板使你能够通过鼠标点击与WEBENCH设计实现动态交互，并且定制WEBENCH设计。在发布电源设计工具 (Power Designer) 完全版本之前，通过重新计算和优化，为你创建了一个定制设计的方法。这个面板（图1）有一个弹出窗口，其中显示了电路计算器，以及WEBENCH电源设计工具所提供的某些功能的即时显示（图2）。
这个全新面板可以帮助你快速做出与设计有关的决定，使之满足于你的技术规格要求，从而缩短设计与部件研究方面的时间。借助这款最新面板，你可以在数秒钟内创建满足你要求的设计，并在同样的限制条件下，将其与一款相类似的设计进行比较。虽然产品文件夹已经显示了相似部件之间的参数比较，不过它只是比较了这些部件的范围，而并未告诉你它们将对你的设计造成怎样的影响…
随着越来越多的功能被集成到工业和汽车电子系统中，更小的坚固耐用型封装变得更富吸引力。但为确保电子设计是耐热的，您需要适当了解各种封装选项。线性稳压器尤其如此，其中输入至输出电压差可能很大，会引起极大的功耗。有两种主要的封装类型：表面贴装式封装和通孔式封装。
通孔式封装选项（如图1所示的T0-220）具有被焊接到印刷电路板（PCB）钻孔中的引线。另一方面，表面贴装式封装选项则是被直接焊接在PCB表面上的。图1展示了TO-263、TO-252、SOT-223和WSON等常见的表面贴装式封装。
图1：常见的稳压器封装
通孔式封装（如TO-220）需要垂直安装（或呈90度弯曲的引线），应有钻通PCB的孔，往往会妨碍下面的潜在布线层。当组件被手工安装且PCB是单面型或双面型时，一般采用通孔插装法。表面贴装式封装采用拾放技术和多个板层，现在更为风靡。如果您只考虑表面积，那么SOT…
在看到MOSFET数据表时，你一定要知道你在找什么。虽然特定的参数很显眼，也一目了然（BVDS、RDS(ON)、栅极电荷），其它的一些参数会十分的含糊不清、模棱两可（IDA、SOA曲线），而其它的某些参数自始至终就毫无用处（比如说：开关时间）。在这个即将开始的博文系列中，我们将试着破解FET数据表，这样的话，读者就能够很轻松地找到和辨别那些对于他们的应用来说，是最常见的数据，而不会被不同的生产商为了使他们的产品看起来更吸引人而玩儿的文字游戏所糊弄。
看懂MOSFET数据表，第1部分—UIS/雪崩额定值
自从20世纪80年代中期在MOSFET 数据表中广泛使用的以来，无钳位电感开关 (UIS) 额定值就已经被证明是一个非常有用的参数。虽然不建议在实际应用中使用FET的重复雪崩，工程师们已经学会了用这个度量标准在制定新器件开发方案时避免那些有可能导致问题的脆弱器件。在温度范围内具有特别薄弱UIS能力或者发生严重降级的器件…
嗨，我的FET狂热爱好者同行们，欢迎回到“看懂MOSFET数据表”博客系列的第2部分！作为一名功率MOSFET的产品营销工程师，在FET数据表的所有内容中，除了电流额定值（本博客系列中的下一篇文章，这么看来，也不算是巧合）之外，我被问到的最多的问题可能就是安全工作区 (SOA) 曲线了。这是一片需要某些技巧和手段才能完全了解的地带，这是因为每个供应商都有各自生成SOA曲线的方法，并且在提供有用信息方面，这个曲线所具有的价值与阅读数据表的人对于读到的信息的理解能力直接相关。虽然FET也许在热插拔应用中能够发挥其最大价值（在这些应用中，FET特意地在其线性区域内运行），不过，我们看到越来越多的电机控制、甚至是电源用户将这个图用作总体稳健耐用性，以及FET处理大量功率能力的指示器。
如图1所示，可以用5个完全不同的限制条件来绘制整个SOA，每个限制条件规定了整个曲线的形状，TI的100V D2PAK CSD1…
最后，我们来到了这个试图破解功率MOSFET数据表的“看懂MOSFET数据表”博客系列的收尾部分。在这个博客中，我们将花时间看一看MOSFET数据表中出现的某些其它混合开关参数，并且检查它们对于总体器件性能的相关性（或者与器件性能没什么关系）。
另一方面，诸如FET固有体二极管的输出电荷 (QOSS) 和反向恢复电荷(Qrr) 等开关参数是造成很多高频电源应用中大部分FET开关损耗的关键因素。不好意思，我说的这些听起来有点儿前言不搭后语，不过设计人员在根据这些参数比较不同的FET时要小心，这是因为测试条件决定一切，事情往往是如此！
图1显示的是，在TI CSD18531Q5A 60V MOSFET的两个不同di/dt速率上测得的输出电荷和反向恢复电荷，这代表了一个事物的两个方面。在左侧，Qrr在360A/µs时测得的值为85nC，在右边，2000A/µs时测得的值为146nC。虽然没有测量部件的di/dt行业标准…
嗨，我的FET狂热爱好者同行们，欢迎回到“看懂MOSFET数据表”博客系列的第3部分！今天我们来谈一谈MOSFET电流额定值，以及它们是如何变得不真实的。好，也许一个比较好的解释就是这些额定值不是用确定RDS(ON) 和栅极电荷等参数的方法测量出来的，而是被计算出来的，并且有很多种不同的方法可以获得这些值。
例如，大多数部件中都有FET“封装电流额定值”，这个值同与周围环境无关，并且是硅芯片与塑料封装之间内在连接线的一个函数。超过这个值不会立即对FET造成损坏，而在这个限值以上长时间使用将开始减少器件的使用寿命。高于这个限值的故障机制包括但不限于线路融合、成型复合材料的热降解、以及电迁移应力所导致的问题。
然后是我们考虑的“芯片限值”，通常通过将外壳温度保持在25˚C来指定。基本上，这个条件假定了一个理想的散热片，只使用结至外壳热阻来计算器件能够处理的最大功率（在下面的方程式1和2中显示…
负载开关是节省空间的集成式电源开关。这些开关可用来“断开”耗电量大的子系统（当处于待机模式时），或用于负载点控制以方便电源排序。智能手机得到普及之后，人们创建了负载开关；由于手机添加了更多的功能，因此它们需要更高密度的电路板，这样空间就变得不足了。集成式负载开关可解决这个问题：将电路板空间归还给设计人员，同时集成更多的功能。
图1：电源开关的常见分立实施方案
与分立电路相比，集成式负载开关的优势是什么？
如图1所示，典型的分立式解决方案包括一个P通道金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、一个N通道MOSFET和一个上拉电阻器。虽然这对开关电源轨来说是业经验证的有效解决方案，但它具有较大的占位面积。现在我们可获得更紧凑的解决方案，如德州仪器（TI）的TPS22915等负载开关 —— 它们的占位面积不到1mm2！使用双通道TPS22968更能显著节省空间…
当为用于固态驱动器（SSD）或便携式医疗系统等备用电源系统的超级电容器充电时，该超级电容器的值、尺寸及成本与要求的保持时间是成正比的。一旦用户从输入电源移除系统，并且运行切换到该超级电容器，您的系统就需要最少的运行时间了。目的是使该超级电容器的大小刚好足够在您的系统把关键信息写入非易失性存储器并关闭所需的时间里为该系统供电。但给该超级电容器定尺寸并不是您唯一的挑战。
因为该超级电容器的电压会有所变化，所以在该超级电容器和系统电源电压轨之间需要电源。由于超级电容器的额定电压通常只有几伏，因此需要步升转换器来将该电压提升至3.3V、5V或12V系统轨。如果您仅仅想让自己的超级电容器放电至2.5V，那么这种双向备用电源解决方案将非常适合置于该超级电容器和系统轨之间。
但若是让该超级电容器只放电到2.5V，那么当系统关闭后会把相当多的电能留在该超级电容器中。储存在超级电容器里的电能等于½ CV2。例如…
在工业应用和工厂自动化领域存在多种多样的电源电压。一般您会发现24伏交流（VAC）电压、24伏直流（VDC）电压、110VAC电压、230VAC电压，有时也会发现介于它们之间的电压。由于成本原因，电子设备制造商通常不愿意为每种输入电压开发不同的电源。所以，让我们来看看如何设计一种具有超宽输入电压范围（19至265VAC和19至375VDC）的小功率（在500mW的范围内）反激式转换器。
该小功率反激式参考设计（笔者将把它用作本博客中的一个示例）需要具备两路输出。一个输出轨提供微控制器与模拟电路（电流为15mA时电压为5.0V）；另一个输出轨则在电流为40mA时提供12.0V的电压以控制继电器。因为输入和两路输出需要2.5kV的隔离电压，所以笔者首先想到了结构简单、广为人知的反激式转换器。
图1展示了这种转换器 —— 包括输入滤波器、整流器、启动电路以及次级侧上的控制器线性稳压器。
…
WebTHERM™ 软件已经在2001年用于WEBENCH®电源设计。它从一款针对有限数量组件的单层仿真器发展为一个支持超过550款设计的软件，其中包括多达6层的电路板。
在最开始，这款工具具有固定的电路板大小和形状，这些参数通常由已知的良好电源评估板布局布线决定。不过，TI WEBENCH团队的成员认识到，很多用户希望看到与特定电路板设计限制有关的热数据。正因如此，你现在可以使用全新的WEBENCH WebTHERM印刷电路板 (PCB) 散热编辑器和仿真器来创建和测试针对特定设计的散热结果。这一特性使你能够深入研究布局布线比较设计中的散热结果，从而在一开始就作出正确选择，以加快上市时间。
对于一款指定的WEBENCH电源设计，设计工作通常是从集成电路 (IC) 的评估PCB开始的；这个评估PCB是一款针对热特性和噪声的已知良好布局布线。它与你在WEBENCH设计中专门创建的设计值以及所选择的组件匹配。WebTHERMAL热仿真器的基本功能使你能够更改铜覆区重量…
如果处理器和现场可编程门阵列FPGA全部由同样的电压供电运行，并且不需要排序和控制等特殊功能的话，会不会变的很简单呢？不幸的是，大多数处理器和FPGA需要不同的电源电压，启动/关断序列和不同类型的控制。
幸运的是，电源管理IC集成电路 (PMIC) 能够控制目前的高级处理器、FPGA和系统，并为它们供电，从而大为简化了整个系统设计。
现在，你也许想知道哪一款PMIC可以为你的片上系统 (SoC) 供电，还有就是要这么做的话，该从哪里入手。为你的SoC和系统选择合适的电源解决方案是系统设计人员最常见的挑战之一。所以，TI推出了数款全新工具，在使用我们的PMIC时，这些工具能够简化器件选型、评估和设计。
在这些工具中，有一些是TI Designs参考设计，它们可以帮助设计人员开始、验证和加快设计。多个TI Designs已经发布，给出了可由TI PMIC供电的很多不同SoC—以下是当前列表：
有些应用需要宽松的输出调节功能以及不到20mA的电流。对这样的应用来说，采用分立组件打造的线性稳压器是一种低成本高效益的解决方案（图1）。而对于具有严格的输出调节功能并需要更大电流的应用，则可使用高性能的低压差线性稳压器（LDO）。
图1：简单的串联稳压器。
有两个与图1所示电路相关的设计挑战。第一个挑战是要调节输出电压，第二个挑战是要在短路事件中安然无恙。在这篇文章中，笔者将讨论如何用分立组件设计稳健的线性稳压器。
下面是一个用来给微控制器供电的示例：
双极型NPN晶体管的选择
NPN双极型晶体管Q1是最重要的组件。笔者首先选择了这种器件。该晶体管应符合下列要求：
模拟
汽车
DLP® 技术
嵌入式处理
工业
电源管理