單板計算機(jī) （SBC） 和計算機(jī)模塊 （CoM） 系統(tǒng)將計算機(jī)的所有功能嵌入到單個電路板上，通常以機(jī)架安裝形式用于工業(yè)應(yīng)用中，用于工廠自動化和過程控制。

SBC 的核心是核心處理器，較新的處理器有特殊的功率要求。最新的處理器包括德州儀器 （TI） 的 AM57xx 系列 Sitara 處理器系列，它是具有集成數(shù)字信號處理器 （DSP） 和工業(yè)通信子系統(tǒng) （ICSS） 的單核或多核 Arm Cortex-A15 處理器。英特爾最新的 64 位處理器是 Ice Lake U/Y，但還有許多其他 x86 處理器可供選擇。

SBC 嵌入在其他設(shè)備中，以在廣泛的應(yīng)用中提供接口和控制，從老虎機(jī)到需要高度靈活性的工廠自動化可編程邏輯控制器 （PLC），因?yàn)榉胖?SBC 的環(huán)境可能會有所不同。在某些終端應(yīng)用中，氣流不可用，因此需要高熱效率的解決方案。

SBC 有各種尺寸，并具有需要高度集成的專用外形尺寸。這一要求推動減少外部組件，以在電源部分實(shí)現(xiàn)更小、更輕和更可靠的產(chǎn)品。帶有集成場效應(yīng)晶體管 （FET） 的分立降壓轉(zhuǎn)換器提供了高水平的設(shè)計靈活性和熱性能。

負(fù)載點(diǎn)架構(gòu)注意事項

SBC 受益于 DC/DC 負(fù)載點(diǎn)電源解決方案，該解決方案支持高級處理器的需求，提供高效率和良好的熱性能，并減少整體組件數(shù)量和總成本。SBC 通常由外部電源提供 5V 或 12V 的電壓，但某些應(yīng)用只能提供 24V 的電壓。由于較新的處理器具有低得多的內(nèi)核電壓，占空比限制使得在以較高頻率（例如 1MHz 或更高）切換時難以調(diào)節(jié)具有 24V 輸入的低于 1V 的內(nèi)核軌以保持較小的外形尺寸。

如下等式所示，例如，要從 24V 輸入調(diào)節(jié) 1V（占空比為 4.2%），在 1MHz 切換時最小可控導(dǎo)通時間必須低于 40ns，以避免脈沖跳躍。實(shí)現(xiàn)將 24V 轉(zhuǎn)換為 5V 或 12V 的中間總線電壓可以解決脈沖跳躍問題，并且更適合為低壓處理器供電。

最小可控導(dǎo)通時間 = 占空比/開關(guān)頻率

工作電壓精度

隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，處理器需要更嚴(yán)格的電壓精度和更低的工作電壓。處理器數(shù)據(jù)表可以將電壓容差指定為百分比或毫伏值，其中包括整個工作溫度范圍內(nèi)的直流、交流和紋波變化。不建議使用任何超出此范圍的電壓，并且處理器可能會出現(xiàn)意外行為。

您還必須考慮 DC/DC 轉(zhuǎn)換器使用的電阻分壓器的容差；電路板的布線和走線損耗；以及應(yīng)用的變化，如輸入電壓變化、溫度波動和負(fù)載的快速變化。所有這些因素都會影響 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的精度。許多設(shè)計人員會希望留有余量或余量，以確保解決方案始終在處理器的公差預(yù)期范圍內(nèi)。

重要的是檢查數(shù)據(jù)表中的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的反饋電壓精度，而不是首頁。表 1 顯示了 TPS54424 的穩(wěn)壓反饋電壓規(guī)格，它是一款 4.5V 至 17V 4A 轉(zhuǎn)換器，其參考精度在輸入電壓和溫度變化范圍內(nèi)為 ±50mV 或 ±0.83%。選擇更嚴(yán)格的容差電阻器可提高總輸出電壓精度。如果您需要更多的余量，您可以選擇 0.1% 或 0.5% 的電阻器 ，即使它們的成本可能會高一些。額外的裕量將使您能夠以更少的體積和旁路電容滿足 ±3% 或 ±5% 的總輸出電壓變化。

［表 1 | TPS54424 數(shù)據(jù)表中所示的反饋電壓調(diào)節(jié)］

將 DC/DC 轉(zhuǎn)換器放置在盡可能靠近負(fù)載的位置始終是明智之舉，盡管布局限制、連接器和電路板密度要求可能會產(chǎn)生干擾。DC/DC 轉(zhuǎn)換器的遠(yuǎn)程感應(yīng)功能將補(bǔ)償來自長跡線的任何電壓降。當(dāng)電壓降可能是整個直流誤差的很大一部分時，此功能在路由更高電流時特別有用。

由于負(fù)載曲線在 SBC 應(yīng)用中可能發(fā)生巨大變化，因此考慮交流瞬態(tài)性能非常重要。選擇具有非線性控制模式的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，例如恒定導(dǎo)通時間控制、TI 的 D-CAP3 控制模式或 DCS-Control，可實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)時間并降低輸出電容。與線性控制模式相比，非線性控制模式提高了交流瞬態(tài)性能。［2］。

還可以通過外部補(bǔ)償電流模式控制調(diào)整 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，并將它們與外部時鐘同步。圖 1 顯示了 TPS568215 8A 降壓轉(zhuǎn)換器在 1.2MHz 下實(shí)現(xiàn)了從 12V 輸入到 1.2V 輸出的 ±30mV 總電壓偏差，使用 D-CAP3 控制模式時陶瓷輸出電容小于 200μF。

【圖1 | ［TPS568215 瞬態(tài)響應(yīng)］

測序

處理器制造商可能會建議電源排序以消除處理器的各個模塊與板上其他處理器之間的總線爭用問題，以減少處理器內(nèi)部隔離結(jié)構(gòu)上的上電/斷電壓力，或錯開電源以避免啟動浪涌電流。有幾種方法可以對多個電源供電和斷電，但最流行的方法是順序排序。

順序排序?qū)⒁粋€穩(wěn)壓器的電源正常 （PG） 引腳連接到另一個穩(wěn)壓器的啟用 （EN） 引腳。圖 2 顯示了兩個轉(zhuǎn)換器的上電配置，您可以在該系列中添加更多軌，這使您能夠錯開電壓軌并避免啟動期間的高浪涌電流。

【圖2 | 順序啟動輸出電壓波形：通道1：3.3V；通道 2：Vcore；通道 3：PG；通道4：輸入電壓］

具有跟蹤引腳的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，例如圖 3 中所示的 TPS62135（4A 輸出電流）或 TPS62148（2A 輸出電流），有助于電源排序并執(zhí)行比 PG 更可靠的斷電功能和 EN 引腳。電源定序器也可用于非常可靠地控制多個電源軌，但會占用更多電路板空間 ［3］。

【圖3 | TPS62135 帶有用于排序的軌道、PG 和 EN 引腳］

熱性能

SBC 通常構(gòu)建在具有 4 層、8 層甚至 16 層的電路板上，具體取決于外形尺寸限制。由于 SBC 設(shè)計用于多種應(yīng)用，因此您必須特別注意 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的選擇，以確保 SBC 在有或沒有可用氣流的情況下在具有熱挑戰(zhàn)性的環(huán)境中運(yùn)行。較高的電路板溫度會導(dǎo)致較低的可靠性，而較高電流的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器對整體熱預(yù)算有很大貢獻(xiàn)。

如圖 4 的安全工作曲線和圖 5 的效率曲線所示，高效 TPS543B20 25A DC/DC 轉(zhuǎn)換器在 90°C 的環(huán)境溫度下提供 25A 和 1V 的電流，沒有氣流。在 10A 和 1V 時，整個解決方案僅耗散 1W。

在優(yōu)化效率和尺寸時，對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行降額是一種很好的設(shè)計實(shí)踐。在某些情況下，DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供引腳兼容的輸出電流選項或提供可編程電流限制以提供靈活性。

【圖4 | TPS543B20安全工作區(qū)】

【圖5 | TPS543B20效率圖】

電源模塊

電源模塊因其高集成度而迅速普及，可實(shí)現(xiàn)更快的設(shè)計時間、易用性和更小的印刷電路板 （PCB）。由于電源軌數(shù)量的增加，這些特性在 SBC 和 CoM 系統(tǒng)中很重要，而可用的電路板空間非常有限。

必須在較小空間內(nèi)提供相同功能的電源模塊或任何其他設(shè)備的常見挑戰(zhàn)是熱性能。TI 的 TPS82130 是一款 MicroSiP 電源模塊，可在僅 1.5mm 高的 2.8mm×3mm 微型封裝中接受高達(dá) 17V 的輸入電壓并提供高達(dá) 3A 的輸出電流。它的底部有一個裸露的散熱墊，以提高散熱性能。由于該導(dǎo)熱墊連接到接地電位，因此在 PCB 中使用通孔連接內(nèi)部接地層可以去除熱量并降低電源模塊溫度。

結(jié)論

使用 SBC 和 CoM 的產(chǎn)品受益于高性能和高效的負(fù)載點(diǎn)電源解決方案。為先進(jìn)處理器供電而設(shè)計的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器將解決電壓精度、負(fù)載瞬態(tài)和電源排序挑戰(zhàn)。由于 SBC 和 CoM 可能用于空間受限且氣流很少或沒有氣流的環(huán)境，因此需要小型高效的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來解決困難的熱挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷