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系统单芯片（SoC）电源设计：热能优化电源供应的三步骤

日期：2020/8/1 16:54:08 作者：

应用电力电子大会（APEC）今年迈入35周年，与此同时，更适合回顾通讯基地台、量测设备与数据中心等系统单芯片应用的电源供应设计。

设计热能优化电源供应向来不易，对于现代系统单芯片对于功耗的要求，更增添设计难度。整合型场效晶体管（FET）降压转换器于20年前问世时，正是试图解决业界一项重大挑战：利用有限的电路板空间，提供更多组电源转换器需求。

解决这项难题至今依然极为重要，且在目前趋势下，针对系统单芯片往往有更高的功率要求、对周遭环境温度与转换器开关频率提高。因此，热能管理更显重要。若电源供应设计未充分考虑上述限制，便可能导致无法供应所需电力，以下三个步骤可确保电源供应以满足系统单芯片需求。

1.了解处理器功率需求

缩小解决方案尺寸与外部组件数量始终是电源设计师的目标。例如将场效晶体管与降压控制器整合在封装中，因应不断增加系统单芯片功率需求，业界持续运用该策略提高功率密度。在这个趋势下，针对应用需求选择适当额定的转换器便显得格外重要。

判断转换器功率额定是否符合应用需求的标准众多，但可先厘清转换器使用前的功率损耗情况，由于此转换器的接地点面积垫（ground pad）较大，整合型场效晶体管RDS（on）较低，即使在输出电流高的状况下，功率损耗亦相对低。因此，审慎考虑装置设计负载条件下的功率损耗，才得以确保转换器在适当的额定功率，符合应用的热能环境。

2.确保设计可应付较高温度

若使用功率损耗较高的降压转换器，在环境温度（TA）较高的应用中便容易导致问题。为解决这项难题，TI开发的转换器解决方案可在温度范围较大的情况下运作，通常以最大接面温度（TJ）标示。考虑到装置运作时的环境温度经常高达60度以上的状况，传统TJ额定105度的降压转换器面临热关机情况也不会造成太大的功率损耗。根据转换器运作时的环境温度，可透过SOA曲线，了解转换器在运作期间实际可提供的功率级数。

欲了解电源供应的真正运作范围，除了可参考效能或功率损耗曲线，也应对照安全工作区（SOA）曲线，根据转换器运作时的环境温度，可透过SOA曲线，了解转换器在运作期间实际可提供的功率级数。

3.在高切换频率运作的优缺点寻求平衡

高切换频率（FSW）、高切换损耗、高总功率损耗之间的关联性早已广为人知，但为了缩小解决方案尺寸与提高瞬态反应，许多电源设计师不得不妥协效能较低的功率解决方案，其中一项因素在于共同处理器主电源的功率要求，仅允许总输出电压偏差几个百分比，因此严格限制线电压、负载电压与运作温度。若改用切换频率较高的转换器，便能更迅速因应瞬态电压来设计，并更加有效管理。许多电源设计师在极高功率的应用中，依然选择切换频率高于1MHz的转换器，因为转换器以高切换频率运作的价值，取决于特定应用条件，若装置具备可调整电阻或多段选择切换频率，便能更有弹性地解决因负载需求改变而产生的热能难题。

在设计负载点功耗解决方案时，考虑因素非常多，而选择电力装置时，若能纳入这些考虑，就更有可能达到理想的应用热能表现。

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