在DAQ應用中使用非隔離DC/DC電源降壓模塊的優(yōu)勢

　　本文將介紹與分立電源解決方案相比，電源模塊幫助提高DAQ性能的一些方法。

　　DAQ的電源架構

　　在DAQ中，跨多個(gè)子系統看到并聯(lián)電源軌和不同的負載電流(和紋波)要求并不罕見(jiàn)。圖1展示了DAQ系統的電源架構以及電源模塊如何為各種子系統生成所需的電源軌。

　　圖1：使用電源模塊的DAQ電源架構

　　使用電源模塊有助于提高整體性能、效率和可靠性。電源模塊還具有以下優(yōu)勢：

　　· 同一封裝中的輸出電流通過(guò)優(yōu)化的成本提供設計靈活性和可擴展性。

　　· 通過(guò)自動(dòng)脈沖頻率調制(PFM)模式提高輕載效率的方法。

　　· 負載調節期間具有出色的瞬態(tài)響應。

　　· 通過(guò)集成、創(chuàng )新封裝和組裝的緊湊型解決方案。

　　· 通過(guò)精選的無(wú)源元件選擇改善了功率模塊性能。

　　· 可在很寬的溫度范圍內工作。

　　通過(guò)選擇無(wú)源元件改善了功率模塊性能

　　除封裝選擇和旨在緩解EMI和輸出紋波的布局外，選擇無(wú)源元件同樣重要。非原裝組件可能在原型階段運行良好，但會(huì )出現壓迫跡象，并導致現場(chǎng)損壞或故障。

　　電感器是DC/DC降壓轉換器設計中的關(guān)鍵組件之一。選擇合適的電感器需要時(shí)間和訣竅，包括了解電感鐵芯的細微參數及其對電源性能和壽命的影響。電感器的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是高溫存儲(HTS)測試期間的故障，這表明電感器能夠長(cháng)時(shí)間承受高溫。

　　在HTS測試期間，電感器置于DC/DC轉換器附近，限制氣流。鐵粉的涂層和/或粘合劑隨著(zhù)時(shí)間和高溫條件開(kāi)始分解，這導致鐵損增加，并降低電源效率。在更高的輸入電壓和更高的開(kāi)關(guān)頻率下，問(wèn)題最為明顯。圖2比較了HTS壓力測試前后多個(gè)輸入電壓下電感的效率下降問(wèn)題。

　　經(jīng)檢查，電感器通?？雌饋?lái)并未明顯受損。電感的L和DCR值可能不會(huì )改變。但是，暴露在高溫下會(huì )增加交流阻抗，如圖2所示。

　　圖2：HTS測試前后的效率下降以及電感器的AC阻抗變化

　　與此同時(shí)，德州儀器的電源模塊集成了電感器。這些電感器隨著(zhù)時(shí)間的推移和溫度的升高具有出色的性能。圖3所示為暴露在高溫后各類(lèi)電感的HTS測試結果。我們的電源模塊使用電感器，在HTS測試后，Q和鐵芯電阻變化很小或無(wú)變化。

　　圖3：德州儀器電源模塊電感HTS性能

　　此外，我們的電源模塊經(jīng)受工作電壓測試，以確保沒(méi)有絕緣擊穿。

　　具有自動(dòng)PFM和負載瞬態(tài)響應的效率(總負載和輕負載)

　　電源模塊提供MODE/SYNC選項，可在輕負載時(shí)轉換為自動(dòng)節能模式。正常操作期間，電源模塊使用脈沖寬度調制(PWM)調節輸出。

　　當負載電流極低時(shí)，控制邏輯轉換為PFM操作和二極管仿真。在該模式中，高側金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)接通一個(gè)或多個(gè)脈沖，以向負載提供能量。高側MOSFET的導通時(shí)間取決于輸入電壓電平和預編程的內部電流電平(IPEAK-MIN)。輸入電壓越高，導通時(shí)間越短。關(guān)斷時(shí)間的持續時(shí)間也取決于負載電流水平。較輕的負載導致較長(cháng)的關(guān)閉時(shí)間。

　　這種操作模式在極輕負載下可實(shí)現出色的轉換效率。使用自動(dòng)PFM模式時(shí)，空載時(shí)的輸出電壓比強制脈沖寬度調制(FPWM)操作高出約1%。圖4所示為PFM和FPWM模式的效率圖。

　　負載瞬態(tài)響應是衡量電源如何應對電流需求的突然變化或電源跟蹤負載阻抗變化的程度的指標。負載瞬態(tài)響應是一個(gè)越來(lái)越重要的性能參數，特別是對于微處理器或現場(chǎng)可編程門(mén)陣列。其具有低核心電壓、高電流消耗和快速負載切換的特點(diǎn)。圖4所示為電源模塊的負載瞬態(tài)響應。

　　圖4：功率模塊效率和負載瞬態(tài)響應

　　若保持足夠低的等效串聯(lián)電阻，則可通過(guò)調整輸出電容來(lái)改善瞬態(tài)響應。增加輸入電容可增強對更長(cháng)和/或更深的瞬態(tài)步長(cháng)的響應。得益于每相電流的減少，增加變流器相位還可通過(guò)提高有效開(kāi)關(guān)頻率及允許更小的輸出電感器和電容器來(lái)改善瞬態(tài)響應。

　　縮小解決方案尺寸

　　我們已開(kāi)發(fā)出創(chuàng )新的用于功率模塊的緊湊封裝技術(shù)。

　　此類(lèi)封裝技術(shù)是如圖5所示的四方扁平無(wú)引線(xiàn)(QFN)封裝，具有單個(gè)銅引線(xiàn)框架。帶旁路元件的集成電路(IC)安裝在該引線(xiàn)框架上。通過(guò)將電感器安裝在IC和無(wú)源元件上，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)也變得緊湊、長(cháng)度較短，并降低EMI。示例包括德州儀器的LMZM33603 和 LMZM33602, 它們均具有36V輸入額定值，可提供高達3A的負載電流。

　　我們的MicroSiP?或QFN封裝技術(shù)可用于需要更低功率的電源軌。此類(lèi)封裝技術(shù)使用裸DC/DC穩壓器芯片并將其嵌入薄的印刷電路板基板中。銅跡線(xiàn)不是使用接合線(xiàn)，而是將芯片連接到基板，如圖5所示。示例包括德州儀器的LMZM23601 和 LMZM23600, 它們集成了輸入旁路電容和電感，以提供更好的EMI性能。

圖 5：電源模塊消息

　　可在很寬的溫度范圍內工作

　　電源模塊的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們可在高溫條件下操作。通過(guò)優(yōu)化的設計、封裝、布局和合適的元件選擇，功率模塊即使在100°C的高溫下也可提供50%的負載電流，如圖6所示。

　　圖6：環(huán)境溫度與輸出電流

　　使用電源模塊生成反向電源

　　在DAQ中，選擇用于采樣AC模擬輸入的ADC指定為±10.24 V的輸入范圍。傳感器的AC電流或電壓輸出使用增益放大器縮放到ADC輸入范圍，且用于縮放增益的運算放大器使用±12 V直流電源供電?？墒褂枚喾N方法生成所需的雙極DC電源。一種方法是通過(guò)在反向降壓-升壓配置中使用功率模塊來(lái)產(chǎn)生負電源。

　　在標準降壓配置中，正極連接(VOUT)連接到內部電感，回路連接到系統地。在反向降壓-升壓配置中，系統接地連接到VOUT，回路現在是負輸出。這種拓撲結構可實(shí)現反向輸出電壓，如圖7所示。

　　圖7: 從降壓轉換為反向沖跳升壓

　　結論

　　除提供上述詳細的多種優(yōu)勢外，DAQ應用中的電源模塊還可提高系統性能和可靠性，減少設計工作，并幫助設計人員優(yōu)化電路板空間。德州儀器具有管腳兼容的電源模塊系列，具有不同的負載電流和可編程輸出電壓，可為DAQ設計提供可擴展性。

　　參考閱讀：使用DC/DC電源模塊增強電網(wǎng)保護，控制和監控設備的DAQ性能：在該文中，我們討論了電源模塊如何提供更低的電磁干擾(EMI)和輸出紋波，從而提高整體數據采集(DAQ)性能。