如何在单板计算机设计中使用大功率 DCDC

1.前言

用于工业应用的单板计算机曾经仅用作处理人机界面 (HMI) 的简单逻辑控制器，提供各种控制功能和网络通信。今天，单板计算机充当工业机器人、机器视觉和工厂自动化中使用的复杂系统的大脑。

为提供所需的处理能力，当前一代单板计算机包含 16 个核心中央处理器 (CPU)、256 GB 双倍日期速率 4 内存、多个 10 Gb 以太网和 USB 端口、数字 I/O 和串行高级技术附件界面。下一代系统还包括现场可编程门阵列、图形处理单元和专用集成电路，能够运行人工智能和机器学习算法，用于语音控制、对象识别、预测性维护和过程优化等。

所有这些处理能力在数据中心里都不是很酷很舒服。CPU 必须在生产线或化学处理设施的恶劣环境中 24/7 可靠运行。 

单板计算机日益增长的处理要求，以及在恶劣环境中对高可靠性的需求，给电源管理带来了新的挑战。高性能单板计算机的功耗可以轻松达到 25 W 及以上。环境工作温度可以达到 85˚C，几乎没有空气冷却。小尺寸需要多层印刷电路板 (PCB) 堆叠，这会增加高热应力和噪声敏感性。因此，您选择的任何电源解决方案都不会使热负载变得更糟。

值得庆幸的是，半导体工艺和封装技术已经进步，可以满足高性能工业单板计算机的电源管理需求。如果您正在为在恶劣环境中运行的高性能处理应用设计电源解决方案，您需要能够最大限度地减少散热、辐射噪声和解决方案尺寸的转换器，以实现更高的可靠性和更低的系统成本。图 1 是用于机器人系统控制的高性能 CPU 板的框图。

图 1：用于机器人系统控制的高性能 CPU 板框图

2.电源管理挑战

工厂自动化和控制、机器人和电机驱动器等工业应用使用电源单元 (PSU)，该电源单元将 24 V 总线分配给 CPU 板等系统中的组件供电。该 PSU 的输出在各种操作条件下介于 10 V 和 32 V 之间。再加上偶尔的瞬态电压尖峰，您需要一个工作电压高达 36 V 的 DC/DC 转换器，并且可以在不影响可靠性的情况下处理瞬态。

高性能 CPU 和逻辑电路的工作电压通常为 5 V 或 3.3 V，功耗为 20 W 至 30 W。您可能希望考虑的一种转换器是 TI 的LM61460，它将 24V 标称输入转换为逻辑电平电源电压，并接受 3.0V 至 36V 的输入电压和 42V 瞬变。

3.热挑战

热量是任何高性能计算应用程序的主要挑战。电源管理解决方案不会降低系统的热工作范围。图 2 显示了LM61460的典型效率曲线。其满载时的峰值效率超过 93%，显着降低了 DC/DC 转换器的热量贡献。

图 2：LM61460 的效率图表

图 3 显示了LM61460在满载条件下运行时的热图像。由于采用 DC/DC 解决方案，测得的 PCB 至环境热系数为 19.7°/W，因此 PCB 温升较低。高转换效率最大限度地减少对流热。

图 3：LM61460 的热图像显示满载时温升 37˚C，PCB 到环境的热系数为 19.7˚C/W

4.电磁干扰和噪声挑战

高性能数字系统对噪声很敏感。DC/DC 开关电源可能是一个重要的噪声源，它会耦合到敏感的数据线中，从而导致错误。这是因为开关节点的高瞬态电压会产生可辐射到整个系统的高频谐波。为了解决这个问题，选择提供噪声最小化功能的转换器。

的LM61460有助于最小化辐射和传导噪声在紧凑的系统可以肆虐通过使设计工程师，以控制交换节点的转换速率。压摆率控制降低了开关波形的高频谐波含量，从而降低了谐波的能量。图 4 显示了使用 RBOOT 控制驱动强度的压摆率控制功能。

图 4：使用 RBOOT 控制驱动强度的转换率控制功能

设计高性能 CPU 板以满足当今工厂自动化和控制系统的处理要求具有挑战性。先进的处理能力推动了对更高输出功率的需求，而功率的增加则推动了对更高效电源解决方案的需求。热和电磁干扰问题可能导致功能设计失败，使设计人员重新回到绘图板。为避免这些问题，请考虑使用高 V IN 、安静的 DC/DC 转换器，例如LM61460。