為微型工業(yè)自動化設備選擇降壓轉(zhuǎn)換器和 LDO需要考慮的因素

1.前言

隨著工廠自動化和控制設備市場的發(fā)展，帶有傳感器的設備（如現(xiàn)場發(fā)射器、機器視覺和位置傳感器）的出貨量正在增加。因此，對可為這些設備供電的功能豐富的電源集成電路(IC) 的需求也在不斷增長。

圖1 顯示了溫度變送器的框圖。非隔離式電源子系統(tǒng)（以紅色突出顯示）由低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)、DC/DC 轉(zhuǎn)換器或電源模塊組成。在本文中，我將介紹如何將降壓轉(zhuǎn)換器和 LDO 用于同一目的選擇。

圖1：溫度變送器子系統(tǒng)

2.高輸入電壓，熱效應非常明顯

在工廠自動化和控制設備中有多種調(diào)節(jié)輸入直流電壓的方法。我們可以使用LDO、DC/DC 轉(zhuǎn)換器或電源模塊。TPS7A47等LDO因其簡單的設計以及衰減輸入噪聲和提供無紋波輸出電壓的能力而常用于傳感器電源。DC/DC 轉(zhuǎn)換器是在較低輸出電壓、較高輸入電壓或較高輸出電流下運行的應用的理想選擇。例如，LMR36502和LMR36506 DC/DC 轉(zhuǎn)換器支持 1 μA 的低停機電流規(guī)格和 7 μA 的工作靜態(tài)電流規(guī)格。 對于具有低輸出電流（小于 20 mA）的負載，這些性能規(guī)格可確保 4 至 20 mA 回路應用的更高效率。圖 2 顯示了LMR36506轉(zhuǎn)換器的效率和熱性能。

圖2：24 V輸入、5 V輸出、2.1 MHz 和 0.6A 時的效率和熱性能

大挑戰(zhàn)，小解決方案

大多數(shù)現(xiàn)場傳感器都很小，這限制了印刷電路板(PCB) 的尺寸。例如，帶有 M12 外殼的超聲波傳感器需要小于 9 毫米的 PCB 寬度。在子系統(tǒng)中的小型 PCB 上集成電源組件（如圖 1 所示）對硬件設計人員來說非常具有挑戰(zhàn)性。

帶有集成電感器的電源模塊（例如TPSM265R1)可以解決這一挑戰(zhàn)，因為DC/DC 轉(zhuǎn)換器要求我們使用額外的組件（例如電感器）來保持高頻。但是，如果您更喜歡使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，則可以通過選擇在更高頻率下運行的轉(zhuǎn)換器來減小整體解決方案的尺寸，從而減小電感器和電容器的尺寸，或者選擇具有集成外部組件的器件。

例如，LMR36502和LMR36506 采用 2mm x 2mm 封裝，最小可控導通時間為55ns，確保轉(zhuǎn)換器可以在2.1MHz 開關頻率下工作，并直接從24 V輸入至5 V輸出。高開關頻率使您能夠使用超小型電感器和輸出電容器，而內(nèi)部環(huán)路補償和固定5V/3.3V 輸出選項減少了外部組件總數(shù)?？梢赃M一步優(yōu)化總解決方案的大小，如圖 3 所示。

圖3：LMR36506 示例解決方案尺寸

3.降低EMI，提高標準

所有開關電源都會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，因為它們使用快速上升和下降時間來切換輸入電壓。EMI 濾波器和金屬屏蔽可以幫助解決 EMI 問題，如圖 4 所示。但是，多級 EMI 濾波器可能會降低應用的效率，同時增加解決方案的尺寸和設計成本。為了解決這種降低的效率，請使用旨在提供較低 EMI 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

圖4：DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 EMI 濾波器結構

LMR36502和LMR36506被設計成具有倒裝芯片上引線（FCOL）技術，它消除功率器件引線鍵合，可能導致更高的封裝寄生電感。如圖 5 所示，將 IC 倒置，并將 IC 上的銅柱直接焊接到帶圖案的引線框架上。由于每個引腳直接連接到引線框架，這種重新設計的結構實現(xiàn)了小型解決方案尺寸和薄型。此外，與傳統(tǒng)引線鍵合封裝相比，倒裝芯片封裝降低了封裝寄生電感，從而大大降低了開關轉(zhuǎn)換期間的振鈴和噪聲產(chǎn)生。

圖5：引線鍵合四方扁平無引線和 FCOL 封裝

4.結論

隨著現(xiàn)場傳感器外殼變得越來越小，PCB 尺寸的限制對于電路板設計人員為傳感器供電來說變得越來越困難。在這種情況下，LMR36502和LMR36506是應對這一挑戰(zhàn)的一個選擇。