電路設計專欄 — 電源管理

發表日期:2016/01/04    本文瀏覽次數:2,749次

直流電源管理 (DC/DC Power Management) 影片」。聯結 https://www.youtube.com/watch?v=dmNyq9RZuR0】。

電源管理範疇 (理論、流程、電子系統階程)

power-management

電源設計管理的範疇包含三個主軸:「電源設計理論、產品開發流程、電子系統階層」。

一.) 電源設計理論:

1.) Structure:

  1. 線性式 (Linear):包含NPN達零頓、PNP LDO、Quasi-LDO、PMOS LDO、NMOS LDO
  2. 切換式 (Switch):可再分為非隔離式與隔離式
    1. 非隔離式:Step Down (Buck) 降壓式、Step Up (Boost) 升壓式…
    2. 隔離式:像Flyback、Forward…..

2.) 電路設計可兩大區塊及對應參數:

  1. Power Stage:Ripple Voltage、Transient Voltage、Efficiency、EMI等,此部份的參數跟整個PCBA主要IC的電源規範有關。
  2. Control System:Bandwidth、Phase Margin、Gain Margin,此部份的參數跟電源穩定有關。

 

二.) 產品開發流程 (NPI, New Product Introduction) 對應電源管理

1.) IBP (Initial Business Plan) 初始業務規劃:

  1. 產品規格書決定了主 IC,整體 PCBA 主 IC 就決定 Power Stage 的要求。
  2. Power Estimation:PCBA主 IC 電壓、電流資訊做功率消耗預估。
  3. Power On Sequence:主 IC 有不同的電壓啟動的順序,及時間差。
  4. Power Tree:以樹狀圖呈現架構的選擇,還有電壓啟動的先後順序。

2.) EVT (Engineering Verification Test ) 工程驗證測試:

  1. DC/DC 電路設計及選料:依照電路動作原理、輸出參數、零件特性…等,做電路設計及選料。
  2. DC/DC Layout:依照主電流路徑、驅動路徑、敏感路徑、設定路徑去做零件擺放及鋪銅走線的規劃。
  3. DC/DC 電氣特性量測: Power Stage 及 Control System的參數驗證,需要滿足主IC的電源規範。
  4. DC/DC 效率/消耗功率量測:效率與同步非同步的架構及週邊零件選料有關。
  5. DC/DC 溫度量測與壽命:不同的零件架構、材料,其計算壽命的方法不一樣。例如液態電容與固態電容的計算公式就不一樣。
  6. 4-Corner (調電壓) :透過Chamber設定環境溫度高低溫、及電源電路分壓電阻設定電壓上下限,造成四種較嚴苛的狀態去觀察整體產品功能是否穩定。

3.) DVT (Design Verification Test ) 工程驗證測試:

  1. DC/DC EMI:控制 Power MOS 驅動能力,抑制 Spike,是管理電源 EMI 的源頭之一。
  2. Thermal Cycle:測試 「高低溫下操作、高低溫開機」 是否正常。
  3. Dynamic Test:振動、摔落測試等。常見有些大顆的電解電容以導針彎90度,整個零件平躺在 PCBA 上,且透過點膠固定。

4.) MP (Mass Production) 量產:

  1. SMT 熱衝擊:注意 SMD 液態電解電容經過 SMT 的 IR Reflow,鋁殼鼓起問題。
  2. PCBA分板的機械應力:注意 MLCC Crack Layout Guide

5.) EOL (End Of Life) 產品銷售生命周期終止

  1. 電路選料要符合零件趨勢,要避免使用淘汰規格或者EOL規格。

 

三.) 電子系統階層對應電源管理

可分成六個Level,從Level 0 ~ Level 5。

四) 結論

學習任何技術課程,建議最後要能跟產品開發流程及產品的電子系統階層結合。當具備技術理論基礎後,才會知道產品開發流程有哪些的活動必須要做,該如何做,以確保每個電子系統階層都能滿足產品規格書。有哪些活動要做,這就是ISO文件的範疇,再將怎麼做,說出來寫出來,並且系統標準化,才能建構有效的 ISO 體制,才能創造總體的競爭優勢。