用于實(shí)驗室儀器的功率模塊

　　基于PC的實(shí)驗室儀器平臺使自動(dòng)化實(shí)驗室設置和數據收集變得簡(jiǎn)單而有效。工程師對用于儀表系統(如外圍組件互連(PCI)的儀表擴展(PXIe)系統)的DC/DC轉換器具有獨特的要求，包括：低電磁干擾(EMI)、小尺寸解決方案、高效率、寬輸入電壓范圍以及良好的線(xiàn)路和負載調節。本文讓我們了解這些不同的要求，以及電源模塊如何幫助滿(mǎn)足這些要求。

　　低電磁干擾(EMI)

　　因為EMI會(huì )導致設備性能下降和潛在的故障，實(shí)驗室儀器對其有著(zhù)極其嚴格的標準。由于固有的開(kāi)關(guān)作用，基于開(kāi)關(guān)模式的DC/DC電源是EMI的主要原因。

　　圖1所示為降壓穩壓器的基本連接圖。在降壓穩壓器中，由電感器L、輸出電容器COUT和低側場(chǎng)效應晶體管QLS形成的環(huán)路具有連續的電流。但是，由于FET的開(kāi)關(guān)作用，在由高側開(kāi)關(guān)QHS、低側開(kāi)關(guān)QLS和輸入電容器CIN產(chǎn)生的環(huán)路中存在不連續的電流流動(dòng)。

　　圖 1：簡(jiǎn)化的降壓穩壓器圖

　　由連接走線(xiàn)包圍的區域決定了在此不連續電流的路徑中將存在多少寄生電感。公式1表明，流經(jīng)電感的開(kāi)關(guān)電流會(huì )在其兩端產(chǎn)生電壓差。

　　因此，這種設置無(wú)意中會(huì )導致電壓尖峰和EMI，如圖2所示。

　　圖 2：電壓尖峰和EMI

　　雖然這不可避免，但讓輸入電容極其靠近兩個(gè)FET的簡(jiǎn)單布局有助于減小環(huán)路面積，減小寄生電感，降低電壓尖峰并降低EMI。

　　功率模塊在此具有優(yōu)勢，因為輸入電容器通常集成在封裝內且極其靠近集成電路(IC)。類(lèi)似的邏輯也適用于集成在功率模塊中的自舉電容器。

　　組件選擇

　　如圖1所示，除走線(xiàn)長(cháng)度外，具有大寄生效應的不良元件會(huì )使情況惡化，因為它們處于脈沖電流的路徑中。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的面積和電感的選擇直接影響EMI。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)太大，且非屏蔽電感器具有大寄生電容會(huì )散發(fā)出大量噪聲。

　　如圖3所示，由于模塊電源集成了很多無(wú)源器件，使得開(kāi)關(guān)節點(diǎn)區域得到了很好的優(yōu)化。

　　圖 3：電源模塊內部結構

　　流經(jīng)電感器的電流會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，未經(jīng)抑制的磁場(chǎng)導致更差的EMI，非屏蔽電感器對于該磁場(chǎng)沒(méi)有抑制方法。

　　電源模塊通常集成了經(jīng)高水平應力測試的屏蔽電感器，有助于抑制輻射噪聲，從而減少污染附近其他敏感電路的可能性。

　　較新的DC/DC穩壓器采用德州儀器(TI)的HotRod?封裝技術(shù)。圖4比較了HotRod封裝技術(shù)和標準的線(xiàn)焊方形扁平無(wú)引腳(QFN)封裝。

　　圖 4：HotRod封裝技術(shù)

　　這種封裝技術(shù)消除通常用于將芯片焊盤(pán)連至引線(xiàn)框架的封裝接線(xiàn)，使用具有小焊接凸塊的銅柱。沒(méi)有封裝接線(xiàn)，寄生電感減少并進(jìn)一步有助于減輕EMI。

　　頻率同步

　　EMI是降壓穩壓器開(kāi)關(guān)作用的產(chǎn)物，這意味著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率(FSW)對于保持低電磁干擾非常重要。在多個(gè)降壓穩壓器為各種軌道供電的系統中，可能存在來(lái)自這些不同開(kāi)關(guān)頻率相互之間的干擾作用的拍頻。由于拍頻可在隨機頻率發(fā)生且其諧波也不可預測，因此在復雜的儀器系統中減輕電磁干擾極具挑戰性。

　　為幫助解決此問(wèn)題，TI LMZM33603和LMZM33606等電源模塊配備了頻率同步輸入引腳，可使系統中的所有降壓穩壓器以一個(gè)公共頻率進(jìn)行切換。此功能不僅有助于避免拍頻，還能將FSW諧波保持在已知頻率。接著(zhù)，設計一個(gè)減輕EMI的輸入濾波器變得更加容易。圖5所示為使用LMZM33606電源模塊的典型原理圖。

　　圖 5: 5 V輸出的典型原理圖

　　小型解空間中的高效率要求

　　臺式儀表設備使用較小的機箱，這可能導致空間受限的系統。這些機箱可能小于3U，通常為半機架寬度。具有集成系統模塊的PXIe機箱的示例可僅具有五個(gè)插槽：三個(gè)混合，兩個(gè)PXIe。

　　在這種空間受限的環(huán)境中，電源模塊成為實(shí)用的選擇。在適用時(shí)，使用它們可大大減少空間限制并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。圖6中的電源樹(shù)所示為可用于臺式PXIe機箱中的背板電源的電源模塊和分立穩壓器。

　　圖 6：臺式PXIe機箱的電源樹(shù)示例

　　由于負載電流限制，電源模塊可能無(wú)法為所有電壓軌供電。在需要更多電流功能的系統中，您必須選擇其他設備。德州儀器的WEBENCH?工具是了解更多有關(guān)其他器件和獲取設計原理圖，以及諸如效率、物料清單(BOM)大小和BOM成本等重要參數的一個(gè)好方法。

　　表1比較了TI功率模塊(LMZM33606和LMZM33602)和集成穩壓器(LM73606和LMR33620)。如您所見(jiàn)，在設計中實(shí)現電源模塊時(shí)可節省相當大的空間。操作效率在沒(méi)有任何可感知的變化時(shí)，空間得以節省。

　　表 1：DC/DC穩壓器與電源模塊的比較

　　圖5中的模塊原理圖非常簡(jiǎn)單。具有如此低的周邊元件數目，所得到的設計將占用極小的空間。圖6所示為L(cháng)MZM33606在多個(gè)輸入電壓下的負載電流效率。

　　圖 6：LMZM33606效率

　　良好的線(xiàn)路和負載調節

　　儀表系統的輸入電壓可能為18 V至36 V的未經(jīng)調壓的電壓。所有軌道的典型線(xiàn)路調節率可為0.1%至0.2%。在各種控制架構中，峰值電流模式(PCM)架構是可實(shí)現這種嚴格要求的架構。如圖7所示，通過(guò)檢測通過(guò)高側場(chǎng)效應晶體管(FET)的電流，PCM架構起作用，以產(chǎn)生比較斜坡。

　　圖 7：PCM架構的簡(jiǎn)化原理圖

　　隨著(zhù)輸入電壓不斷變化，首先要改變電流斜率。它作為系統的前饋，在輸入電壓變化時(shí)校正占空比。因此，占空比的瞬時(shí)更新有助于實(shí)現極佳的線(xiàn)路調節。LMZM33606和LMZM33602基于PCM架構，這極其適合此類(lèi)系統。

　　圖8所示為L(cháng)MZM33606的線(xiàn)路和負載調節。對于3A負載，線(xiàn)路穩壓率為0.02%;對于標稱(chēng)24 V輸入，負載調節率為0.1%。

　　圖 8：LMZM33606線(xiàn)路和負載調節

　　除節省空間和優(yōu)化性能外，電源模塊還提供其它優(yōu)勢。它們集成了高質(zhì)量無(wú)源元件，可在高溫下進(jìn)行大量測試，以確保長(cháng)壽命和可靠性。它們的特性使電源模塊對實(shí)驗室儀器設備更具吸引力。

　　參考文獻

　　LMZM33606 數據表

　　LMZM33602 數據表

　　“LMZM33602/3的反相應用”應用指南