物联网系统需要高集成度和小尺寸的电源转换设备

在功率谱的中低端，存在适度的功率转换要求，例如物联网（IoT）设备中常见的要求，需要使用处理中等电流水平的功率转换IC。这些通常在数百毫安的电流范围内，但如果板载功率放大器需要峰值功率需求来传输数据或视频，则该量可能会更高。因此，支持众多物联网设备的无线传感器的激增增加了对针对空间和热受限设备外形尺寸量身定制的小型、紧凑和高效电源转换器的需求。

然而，与许多其他应用不同，许多工业和医疗产品通常对可靠性、外形尺寸和稳健性有更高的标准。如您所料，大部分设计负担落在电源系统及其相关支持组件上。工业甚至医疗物联网产品必须正常运行，并在几个电源（如交流电源插座和备用电池）之间无缝切换。此外，必须采取很大的措施来防止故障，同时最大限度地延长由电池供电时的工作时间，以确保无论存在何种电源，正常的系统运行都是可靠的。因此，这些系统中使用的内部功率转换架构需要鲁棒、紧凑，并且需要最小的散热。

电源设计注意事项

工业物联网系统设计人员在具有无线传输功能的系统中使用线性稳压器并不罕见。主要原因是它最大限度地减少了EMI和噪声排放。然而，尽管开关稳压器比线性稳压器产生更多的噪声，但它们的效率要高得多。事实证明，如果开关稳压器的行为可预测，则在许多敏感应用中，噪声和EMI水平是可控的。如果开关稳压器在正常模式下以恒定频率开关，并且开关边沿干净且可预测，没有过冲或高频振铃，则EMI最小。此外，小封装尺寸和高工作频率可以提供小而紧凑的布局，从而最大限度地减少EMI辐射。此外，如果稳压器可以与低ESR陶瓷电容器一起使用，则可以将输入和输出电压纹波（系统中的额外噪声源）降至最低。

当今工业和医疗物联网设备的主要输入电源通常是来自外部交流到直流适配器和/或电池组的 24 V 或 12 V 直流电源。然后使用同步降压转换器将该电压进一步降低至5 V和/或3.x V电源轨。然而，这些医疗物联网设备中的内部后稳压电源轨数量有所增加，而工作电压却持续降低。因此，许多这些系统仍然需要3.x V、2.x V或1.x V电源轨来为低功耗传感器、存储器、微控制器内核、输入/输出和逻辑电路供电。然而，用于数据传输的内部功率放大器可能需要12 V电源轨，电流能力高达0.8 A，才能将任何记录的数据传输到远程集中式集线器。

传统上，这种 12 V 电源轨由升压开关稳压器供电，需要专门的开关模式电源设计专业知识，以及印刷电路板 （PCB） 上的大解决方案占位面积。

新型紧凑型升压转换器

ADI公司的μModule（微模块）产品是完整的系统级封装（SiP）解决方案，可最大限度地缩短设计时间，并解决工业和医疗系统中常见的电路板空间和密度问题。这些μModule产品是完整的电源管理解决方案，集成了DC-DC控制器、功率晶体管、输入和输出电容、补偿元件和电感器，采用紧凑的表面贴装BGA或LGA封装。使用ADI的μModule产品进行设计可将完成设计过程所需的时间减少多达50%，具体取决于设计的复杂程度。μModule系列将元件选择、优化和布局的设计负担从设计人员转移到器件，从而缩短了整体设计时间和系统故障排除，并最终缩短了上市时间。®

此外，ADI公司的μModule解决方案将分立电源、信号链和隔离设计中常用的关键元件集成在一个紧凑的IC类外形尺寸中。在ADI严格的测试和高可靠性工艺的支持下，μModule产品组合简化了电源转换设计的设计和布局。

μModule系列产品涵盖广泛的应用，包括负载点稳压器、电池充电器、LED驱动器、电源系统管理（PMBus数字管理电源）、隔离转换器、电池充电器和LED驱动器。作为高度集成的解决方案，每个器件都提供PCB Gerber文件，μModule电源产品解决了时间和空间限制，同时提供了符合EN 55022 B类标准的高效率、可靠且低EMI解决方案。

随着系统复杂性的增加和设计周期的缩短，设计资源变得捉襟见肘，重点落在了系统关键知识产权的开发上。这通常意味着在开发周期的后期才忽略电源。由于时间紧迫，专业电源设计资源可能有限，因此迫切需要以尽可能小的尺寸提出高效率解决方案，同时可能利用PCB的底面以实现最大的空间利用率。

这就是μModule稳压器提供理想答案的地方。这个概念内部复杂，外部简单——开关稳压器的效率和线性稳压器的设计简单性。仔细的设计、PCB布局和元件选择在开关稳压器的设计中非常重要，许多经验丰富的设计师在职业生涯的早期就闻到了燃烧电路板的独特香气。当时间紧迫或电源设计经验有限时，现成的μModule稳压器可节省时间并降低风险。

ADI μModule 系列最近的一个例子是 LTM4661 同步升压型 μModule 稳压器，该稳压器采用 6.25 mm × 6.25 mm × 2.42 mm BGA 封装。封装中包括开关控制器、功率 FET、电感器和所有支持组件。该器件在1.8 V至5.5 V输入范围内工作，可调节和输出电压为2.5 V至15 V，并通过单个外部电阻器进行设置。只需要一个大容量输入和输出电容器。

图1.3.3 V至5 V输入，使用外部时钟提供12 V、高达800 mA的电流。

LTM4661效率高，从3.3 V输入升压至12 V输出时可提供超过87%的效率。参见图2的效率曲线。

图2.LTM4661在3.3 V输入至5 V至15 V输出范围内的效率与输出电流的关系。

图3显示了LTM4661的实测热图像，该器件采用3.3 V输入至12 V，直流电流为800 mA，气流为200 LFM，无散热器。

图3.LTM4661的热图像：3.3 V输入至12 V输出，0.8 A，200 LFM气流，无散热器。

结论

近年来，物联网设备的部署呈爆炸式增长，包括用于军事和工业应用领域的各种产品。近年来，包括传感器填充的医疗和科学仪器在内的新一波产品一直是关键的市场驱动力，现在开始出现显着增长的迹象。同时，这些系统的空间和热设计限制使得需要一类新型功率转换器，该转换器可以提供小、紧凑和热效率高的必要性能指标，为功率放大器等内部电路供电。幸运的是，最近发布的 LTM4661 升压型 μModule 稳压器等器件提升了电源设计人员的任务。

最后，在这些类型的应用中使用μModule稳压器是有意义的，因为它们可以显著缩短调试时间，并允许更大的电路板面积使用。这降低了基础设施成本，以及产品生命周期内的总拥有成本。

审核编辑：郭婷