使用 DCDC 電源模塊增強電網(wǎng)保護、控制和監(jiān)測設備的 DAQ 性能

DAQ:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如何保證DAQ的數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠，是大家探討的一個問題。

圖 1 顯示了帶有常用配置子系統(tǒng)的 DAQ，以及其中發(fā)現(xiàn)/使用的設備或集成電路 (IC)。每個子系統(tǒng)都有不同的電壓電平和負載電流要求。DAQ 的電源架構(gòu)包括多個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)、雙倍數(shù)據(jù)速率終端穩(wěn)壓器、定序器和監(jiān)視器以生成和監(jiān)控各種電源軌，以及一個用于防止輸入過載情況的電子保險絲.

圖 1：DAQ 子系統(tǒng)，包括電源架構(gòu)

DAQ 電源架構(gòu)設計方法

選擇合適的電源架構(gòu)取決于 DAQ 性能要求，包括效率、印刷電路板空間、嚴格的輸出調(diào)節(jié)、負載瞬態(tài)響應和成本。您可以使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 LDO 的各種組合從背板電壓中獲得所需的電源軌。

分立電源實施需要電源設計專業(yè)知識。分立電源實施使用外部電感器、開關(guān)和其他外部組件。DC/DC 轉(zhuǎn)換器會占用更多的電路板空間，效率和熱性能較差。由于缺乏防止誤用（輸出過載、輸入電壓過高）以及因組件故障而縮短使用壽命的保護措施，分立式電源也容易出現(xiàn)故障。實現(xiàn) DAQ 電源架構(gòu)的另一種方法是使用集成電源模塊。

使用 TI 電源模塊的優(yōu)勢

DC/DC 降壓型電源模塊將同步開關(guān)穩(wěn)壓器、電感器、場效應晶體管 (FET)、補償和其他無源元件集成到單個封裝中。通過仔細選擇包括電感器在內(nèi)的板載組件，電源模塊在很寬的電壓輸入和溫度范圍內(nèi)以最小的變化運行。將組件集成到電源模塊中可簡化設計流程、最大限度地減少占用空間、提高可靠性并縮短設計/認證流程，從而加快產(chǎn)品上市速度。

電源模塊因其完全表征的電氣/熱性能而變得越來越流行。它們可以在很寬的開關(guān)頻率范圍內(nèi)工作，從而能夠使用更小的組件，并且組件占位面積小于 15 mm 2  ，高度小于 2.0 mm。非隔離電源模塊結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，可提供高負載電流。

電源模塊對 DAQ 性能的影響

使用電源模塊有多種好處，但對 DAQ 性能影響最大的兩個是較低的電磁干擾 (EMI) 和減少的輸出紋波。電源設計人員通常要經(jīng)過多次電路板修訂才能達到 EMI 要求和輸出紋波性能。封裝選擇和布局優(yōu)化是減輕 EMI 和確保較低輸出紋波的其他重要考慮因素。

EMI

根據(jù) Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 11 或 CISPR 22 以足夠的余量滿足 EMI 要求對于任何終端設備的認證都很重要。為了減輕 EMI，電源模塊采用各種技術(shù)來優(yōu)化關(guān)鍵環(huán)路面積，從而創(chuàng)建更小的電流變化率 (di/dt) 環(huán)路面積。使用屏蔽電感可進一步降低 EMI。

圖 2 顯示了具有 3A 負載的 TI LMZM33603 電源模塊的輻射發(fā)射圖，低于 CISPR A 類和 B 類水平，可輕松滿足認證期間的測試要求。

圖 2：LMZM33603 的輻射發(fā)射（5 V 輸出，3 A 負載）

要了解電源模塊如何優(yōu)化關(guān)鍵環(huán)路區(qū)域，讓我們來看看元件布局和封裝選擇。

降壓轉(zhuǎn)換器在輸入端產(chǎn)生具有高 di/dt 的脈動紋波電流。在沒有輸入電容器的情況下，紋波電流由上部電源提供，循環(huán)紋波電流會導致傳導和輻射 EMI 增加。

同步開關(guān) DC/DC 穩(wěn)壓器在封裝內(nèi)集成了兩個 FET，這使得優(yōu)化關(guān)鍵路徑的面積變得更加容易。集成兩個 FET 后，只有輸入電容器 CIN 需要正確放置。輸入電容器可最大限度地降低輸入電壓紋波、抑制輸入電壓尖峰并為設備提供穩(wěn)定的系統(tǒng)電源軌，從而確保較低的 EMI。CIN 放置的難易程度取決于封裝技術(shù)和引腳排列。使 VIN 和 PGND 引腳彼此靠近很重要。在 TI 電源模塊中，我們建議將電容器 CIN 放置在最靠近 VIN 和 PGND 的位置，如圖 3 所示，以最小化關(guān)鍵路徑的面積。TI 電源模塊內(nèi)部放置了一個小型、低值電容器 Ci。除了 CIN 電容選擇和優(yōu)化關(guān)鍵路徑布局，

· 四方扁平無引線 (QFN) 封裝沒有外部引線。由于沒有引線長度，因此可以將 CIN 放置在更靠近 VIN 和 PGND 引腳的位置，從而進一步減小關(guān)鍵路徑的面積。QFN IC 封裝內(nèi)部的芯片焊盤通過細銅線或金線連接到引腳，這會增加寄生電感。

· 為了進一步減少關(guān)鍵路徑的面積，我們的 HotRod? 技術(shù)完全消除了鍵合線。芯片被翻轉(zhuǎn)，使其有源面朝下，銅凸點沉積在芯片焊盤上并直接焊接到引線框架上。使用銅凸點代替鍵合線可降低串聯(lián)電阻，進一步縮小封裝尺寸并使 CIN 更靠近 VIN 和 PGND 引腳。圖 3 顯示了 QFN 和 HotRod? 封裝。

圖 3：A.QFN 封裝電容器放置、B.QFN 引線鍵合和C. HotRod? 封裝

輸出紋波

同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出級在滿足目標紋波電流、輸出紋波電壓和輸出電壓過沖要求方面起著重要作用。電源模塊的輸出紋波取決于元件選擇、布局和負載。在我們的電源模塊中，選擇具有低雜散電容的電感器并結(jié)合優(yōu)化布局（緊密布局）可確保來自開關(guān)引腳的最小紋波耦合到輸出引腳 VOUT，從而減少直流電壓輸出上的紋波。圖 4 顯示了電源模塊的紋波，紋波 <5 mV，可連接到敏感的模擬電路而不會產(chǎn)生性能變化。

圖 4：電源模塊輸出紋波

結(jié)論

TI 的電源模塊具有多種優(yōu)勢，可簡化系統(tǒng)設計，包括：

· 最少的外部組件。

· 體積小，功率密度高。

· 較低的輻射 EMI。

· 較低的工作溫度。

· 更高的效率和輸出精度。

· 更快的負載瞬態(tài)響應。

· 低輸出紋波。

· 改進了負載和輸入調(diào)節(jié)。

使用內(nèi)部電感器可以減少磁性選擇工作，并通過屏蔽輻射來提高性能。此外，電源模塊包含廣泛的、深思熟慮的保護機制，并接受更嚴格的測試（比典型的最終用戶計劃和測試的測試更多）。