为单板计算机和计算机模块系统供电

单板计算机 （SBC） 和计算机模块 （CoM） 系统将计算机的所有功能嵌入到单个电路板上，通常以机架安装形式用于工业应用中，用于工厂自动化和过程控制。

SBC 的核心是核心处理器，较新的处理器有特殊的功率要求。最新的处理器包括德州仪器 （TI） 的 AM57xx 系列 Sitara 处理器系列，它是具有集成数字信号处理器 （DSP） 和工业通信子系统 （ICSS） 的单核或多核 Arm Cortex-A15 处理器。英特尔最新的 64 位处理器是 Ice Lake U/Y，但还有许多其他 x86 处理器可供选择。

SBC 嵌入在其他设备中，以在广泛的应用中提供接口和控制，从老虎机到需要高度灵活性的工厂自动化可编程逻辑控制器 （PLC），因为放置 SBC 的环境可能会有所不同。在某些终端应用中，气流不可用，因此需要高热效率的解决方案。

SBC 有各种尺寸，并具有需要高度集成的专用外形尺寸。这一要求推动减少外部组件，以在电源部分实现更小、更轻和更可靠的产品。带有集成场效应晶体管 （FET） 的分立降压转换器提供了高水平的设计灵活性和热性能。

负载点架构注意事项

SBC 受益于 DC/DC 负载点电源解决方案，该解决方案支持高级处理器的需求，提供高效率和良好的热性能，并减少整体组件数量和总成本。SBC 通常由外部电源提供 5V 或 12V 的电压，但某些应用只能提供 24V 的电压。由于较新的处理器具有低得多的内核电压，占空比限制使得在以较高频率（例如 1MHz 或更高）切换时难以调节具有 24V 输入的低于 1V 的内核轨以保持较小的外形尺寸。

如下等式所示，例如，要从 24V 输入调节 1V（占空比为 4.2%），在 1MHz 切换时最小可控导通时间必须低于 40ns，以避免脉冲跳跃。实现将 24V 转换为 5V 或 12V 的中间总线电压可以解决脉冲跳跃问题，并且更适合为低压处理器供电。

最小可控导通时间 = 占空比/开关频率

工作电压精度

随着工艺技术的进步，处理器需要更严格的电压精度和更低的工作电压。处理器数据表可以将电压容差指定为百分比或毫伏值，其中包括整个工作温度范围内的直流、交流和纹波变化。不建议使用任何超出此范围的电压，并且处理器可能会出现意外行为。

您还必须考虑 DC/DC 转换器使用的电阻分压器的容差；电路板的布线和走线损耗；以及应用的变化，如输入电压变化、温度波动和负载的快速变化。所有这些因素都会影响 DC/DC 转换器的精度。许多设计人员会希望留有余量或余量，以确保解决方案始终在处理器的公差预期范围内。

重要的是检查数据表中的 DC/DC 转换器的反馈电压精度，而不是首页。表 1 显示了 TPS54424 的稳压反馈电压规格，它是一款 4.5V 至 17V 4A 转换器，其参考精度在输入电压和温度变化范围内为 ±50mV 或 ±0.83%。选择更严格的容差电阻器可提高总输出电压精度。如果您需要更多的余量，您可以选择 0.1% 或 0.5% 的电阻器 ，即使它们的成本可能会高一些。额外的裕量将使您能够以更少的体积和旁路电容满足 ±3% 或 ±5% 的总输出电压变化。

［表 1 | TPS54424 数据表中所示的反馈电压调节］

将 DC/DC 转换器放置在尽可能靠近负载的位置始终是明智之举，尽管布局限制、连接器和电路板密度要求可能会产生干扰。DC/DC 转换器的远程感应功能将补偿来自长迹线的任何电压降。当电压降可能是整个直流误差的很大一部分时，此功能在路由更高电流时特别有用。

由于负载曲线在 SBC 应用中可能发生巨大变化，因此考虑交流瞬态性能非常重要。选择具有非线性控制模式的 DC/DC 转换器，例如恒定导通时间控制、TI 的 D-CAP3 控制模式或 DCS-Control，可实现快速瞬态响应时间并降低输出电容。与线性控制模式相比，非线性控制模式提高了交流瞬态性能。［2］。

还可以通过外部补偿电流模式控制调整 DC/DC 转换器以实现快速瞬态响应，并将它们与外部时钟同步。图 1 显示了 TPS568215 8A 降压转换器在 1.2MHz 下实现了从 12V 输入到 1.2V 输出的 ±30mV 总电压偏差，使用 D-CAP3 控制模式时陶瓷输出电容小于 200µF。

【图1 | ［TPS568215 瞬态响应］

测序

处理器制造商可能会建议电源排序以消除处理器的各个模块与板上其他处理器之间的总线争用问题，以减少处理器内部隔离结构上的上电/断电压力，或错开电源以避免启动浪涌电流。有几种方法可以对多个电源供电和断电，但最流行的方法是顺序排序。

顺序排序将一个稳压器的电源正常 （PG） 引脚连接到另一个稳压器的启用 （EN） 引脚。图 2 显示了两个转换器的上电配置，您可以在该系列中添加更多轨，这使您能够错开电压轨并避免启动期间的高浪涌电流。

【图2 | 顺序启动输出电压波形：通道1：3.3V；通道 2：Vcore；通道 3：PG；通道4：输入电压］

具有跟踪引脚的 DC/DC 转换器，例如图 3 中所示的 TPS62135（4A 输出电流）或 TPS62148（2A 输出电流），有助于电源排序并执行比 PG 更可靠的断电功能和 EN 引脚。电源定序器也可用于非常可靠地控制多个电源轨，但会占用更多电路板空间 ［3］。

【图3 | TPS62135 带有用于排序的轨道、PG 和 EN 引脚］

热性能

SBC 通常构建在具有 4 层、8 层甚至 16 层的电路板上，具体取决于外形尺寸限制。由于 SBC 设计用于多种应用，因此您必须特别注意 DC/DC 转换器的选择，以确保 SBC 在有或没有可用气流的情况下在具有热挑战性的环境中运行。较高的电路板温度会导致较低的可靠性，而较高电流的 DC/DC 转换器对整体热预算有很大贡献。

如图 4 的安全工作曲线和图 5 的效率曲线所示，高效 TPS543B20 25A DC/DC 转换器在 90°C 的环境温度下提供 25A 和 1V 的电流，没有气流。在 10A 和 1V 时，整个解决方案仅耗散 1W。

在优化效率和尺寸时，对 DC/DC 转换器进行降额是一种很好的设计实践。在某些情况下，DC/DC 转换器提供引脚兼容的输出电流选项或提供可编程电流限制以提供灵活性。

【图4 | TPS543B20安全工作区】

【图5 | TPS543B20效率图】

电源模块

电源模块因其高集成度而迅速普及，可实现更快的设计时间、易用性和更小的印刷电路板 （PCB）。由于电源轨数量的增加，这些特性在 SBC 和 CoM 系统中很重要，而可用的电路板空间非常有限。

必须在较小空间内提供相同功能的电源模块或任何其他设备的常见挑战是热性能。TI 的 TPS82130 是一款 MicroSiP 电源模块，可在仅 1.5mm 高的 2.8mm×3mm 微型封装中接受高达 17V 的输入电压并提供高达 3A 的输出电流。它的底部有一个裸露的散热垫，以提高散热性能。由于该导热垫连接到接地电位，因此在 PCB 中使用通孔连接内部接地层可以去除热量并降低电源模块温度。

结论

使用 SBC 和 CoM 的产品受益于高性能和高效的负载点电源解决方案。为先进处理器供电而设计的 DC/DC 转换器将解决电压精度、负载瞬态和电源排序挑战。由于 SBC 和 CoM 可能用于空间受限且气流很少或没有气流的环境，因此需要小型高效的 DC/DC 转换器来解决困难的热挑战。

审核编辑：郭婷