技術(shù)文章：巧用電源模塊

基于PC的實(shí)驗(yàn)室儀器平臺(tái)使自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室設(shè)置和數(shù)據(jù)收集變得簡(jiǎn)單而有效。工程師對(duì)用于儀表系統(tǒng)(如外圍組件互連(PCI)的儀表擴(kuò)展(PXIe)系統(tǒng))的DC/DC轉(zhuǎn)換器具有獨(dú)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路和負(fù)載調(diào)節(jié)。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足這些要求。

低電磁干擾(EMI)

因?yàn)镋MI會(huì)導(dǎo)致設(shè)備性能下降和潛在的故障，實(shí)驗(yàn)室儀器對(duì)其有著極其嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。由于固有的開關(guān)作用，基于開關(guān)模式的DC/DC電源是EMI的主要原因。

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

圖 1：簡(jiǎn)化的降壓穩(wěn)壓器圖

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

因此，這種設(shè)置無意中會(huì)導(dǎo)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(shì)，因?yàn)檩斎腚娙萜魍ǔ＜稍诜庋b內(nèi)且極其靠近集成電路(IC)。類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，除走線長(zhǎng)度外，具有大寄生效應(yīng)的不良元件會(huì)使情況惡化，因?yàn)樗鼈兲幱诿}沖電流的路徑中。開關(guān)節(jié)點(diǎn)的面積和電感的選擇直接影響EMI。開關(guān)節(jié)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源器件，使得開關(guān)節(jié)點(diǎn)區(qū)域得到了很好的優(yōu)化。

圖 3：電源模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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(dǎo)致更差的EMI，非屏蔽電感器對(duì)于該磁場(chǎng)沒有抑制方法。

電源模塊通常集成了經(jīng)高水平應(yīng)力測(cè)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(wěn)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(biāo)準(zhǔn)的線焊方形扁平無引腳(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連至引線框架的封裝接線，使用具有小焊接凸塊的銅柱。沒有封裝接線，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(wěn)壓器開關(guān)作用的產(chǎn)物，這意味著開關(guān)頻率(FSW)對(duì)于保持低電磁干擾非常重要。在多個(gè)降壓穩(wěn)壓器為各種軌道供電的系統(tǒng)中，可能存在來自這些不同開關(guān)頻率相互之間的干擾作用的拍頻。由于拍頻可在隨機(jī)頻率發(fā)生且其諧波也不可預(yù)測(cè)，因此在復(fù)雜的儀器系統(tǒng)中減輕電磁干擾極具挑戰(zhàn)性。

為幫助解決此問題，TI LMZM33603和LMZM33606等電源模塊配備了頻率同步輸入引腳，可使系統(tǒng)中的所有降壓穩(wěn)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，設(shè)計(jì)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(tái)式儀表設(shè)備使用較小的機(jī)箱，這可能導(dǎo)致空間受限的系統(tǒng)。這些機(jī)箱可能小于3U，通常為半機(jī)架寬度。具有集成系統(tǒng)模塊的PXIe機(jī)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中的電源樹所示為可用于臺(tái)式PXIe機(jī)箱中的背板電源的電源模塊和分立穩(wěn)壓器。

圖 6：臺(tái)式PXIe機(jī)箱的電源樹示例

由于負(fù)載電流限制，電源模塊可能無法為所有電壓軌供電。在需要更多電流功能的系統(tǒng)中，您必須選擇其他設(shè)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(shè)計(jì)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(shù)的一個(gè)好方法。

表1比較了TI功率模塊(LMZM33606和LMZM33602)和集成穩(wěn)壓器(LM73606和LMR33620)。如您所見，在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)電源模塊時(shí)可節(jié)省相當(dāng)大的空間。操作效率在沒有任何可感知的變化時(shí)，空間得以節(jié)省。

表 1：DC/DC穩(wěn)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(shù)目，所得到的設(shè)計(jì)將占用極小的空間。圖6所示為L(zhǎng)MZM33606在多個(gè)輸入電壓下的負(fù)載電流效率。

圖 6：LMZM33606效率

良好的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)

儀表系統(tǒng)的輸入電壓可能為18 V至36 V的未經(jīng)調(diào)壓的電壓。所有軌道的典型線路調(diào)節(jié)率可為0.1%至0.2%。在各種控制架構(gòu)中，峰值電流模式(PCM)架構(gòu)是可實(shí)現(xiàn)這種嚴(yán)格要求的架構(gòu)。如圖7所示，通過檢測(cè)通過高側(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的電流，PCM架構(gòu)起作用，以產(chǎn)生比較斜坡。

圖 7：PCM架構(gòu)的簡(jiǎn)化原理圖

隨著輸入電壓不斷變化，首先要改變電流斜率。它作為系統(tǒng)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(xiàn)極佳的線路調(diào)節(jié)。LMZM33606和LMZM33602基于PCM架構(gòu)，這極其適合此類系統(tǒng)。

圖8所示為L(zhǎng)MZM33606的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)。對(duì)于3A負(fù)載，線路穩(wěn)壓率為0.02%;對(duì)于標(biāo)稱24 V輸入，負(fù)載調(diào)節(jié)率為0.1%。

圖 8：LMZM33606線路和負(fù)載調(diào)節(jié)

除節(jié)省空間和優(yōu)化性能外，電源模塊還提供其它優(yōu)勢(shì)。它們集成了高質(zhì)量無源元件，可在高溫下進(jìn)行大量測(cè)試，以確保長(zhǎng)壽命和可靠性。它們的特性使電源模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備更具吸引力。