工業(yè)傳感器供電采用開關(guān)穩(wěn)壓器方案真的好嗎?
發(fā)布時(shí)間:2018-09-28 來源:德州儀器 Stephen Ott 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】現(xiàn)代工廠都采用自動(dòng)化系統(tǒng),依靠整個(gè)工廠范圍內(nèi)的許多傳感器提供的反饋信息來保持高生產(chǎn)率。這些公司采用數(shù)字現(xiàn)場總線來匯總傳感器收集的大量數(shù)據(jù)。傳感器收集的數(shù)據(jù)越多,系統(tǒng)的適應(yīng)性和操作性就越好。
因此,采用現(xiàn)場總線連接的現(xiàn)代工業(yè)傳感器必須以更快和更精確的速率來檢測信號(hào),并將該信息作為與傳統(tǒng)模擬信號(hào)相對的數(shù)字信號(hào)輸出。這一功能要求傳感器使用功率更大的處理器。此外,由于工廠中此類傳感器的數(shù)量更多,因此形狀因數(shù)變小。功率的增大以及形狀因數(shù)的變小迫使工廠擯棄成熟的線性穩(wěn)壓器方案,轉(zhuǎn)而采用開關(guān)穩(wěn)壓器方案。
而采用開關(guān)穩(wěn)壓器又產(chǎn)生了新的挑戰(zhàn)。由于電感器要求使用額外的區(qū)域,因此開關(guān)穩(wěn)壓器形狀因數(shù)較大。必須考慮穩(wěn)壓器開關(guān)頻率與測量信號(hào)頻率之間的關(guān)系。
因此,轉(zhuǎn)換器的布局更加關(guān)鍵。設(shè)計(jì)不良的開關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)提高本底噪聲,并產(chǎn)生不必要的電磁兼容性(EMC),將會(huì)干擾小型信號(hào)的檢測。
幸運(yùn)的是,我們目前提供了集成電感器DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器,可以最大限度地減少此類挑戰(zhàn)。電感器的集成不僅減小了開關(guān)節(jié)點(diǎn)的面積,還可以更輕松地實(shí)現(xiàn)最佳布局。新型DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率顯著提高,因此可以使用小型片式電感器和陶瓷電容器,使得DC/DC轉(zhuǎn)換器成為外形最小的選擇。
新型LMZM23601電源模塊將DC/DC轉(zhuǎn)換器、電感器、Vcc濾波電容器和升壓電容器集成到一個(gè)3mm*3.8mm*1.6mm的封裝中。這樣可以處理最高36V的輸入電壓,并將電壓從15V降至2.5V(固定5V和3.3V可選),同時(shí)輸出電流高達(dá)1A。如圖1所示,占用最小的板內(nèi)空間實(shí)現(xiàn)完整的1A解決方案。
圖 1:LMZM23601解決方案適用于3.3V至5V輸出,電流高達(dá)1A
將LMZM23601與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器方案相比較,來滿足現(xiàn)場變送器應(yīng)用的以下要求:
輸入電壓:10V至30V,公稱24V
輸出電壓:3.3V
輸出電流:35mA
溫度范圍:環(huán)境溫度-40°C至85°C
板面積:4mm*4.5mm
如表1所示,與微型小外形封裝(MSOP)8相比,LMZM23601具有封裝面積和熱能方面的優(yōu)勢。注意:表1中規(guī)定的 R?JA僅供比較參考,鑒于板空間和銅排有限,在實(shí)際傳感器應(yīng)用中,該值會(huì)更高。聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(huì)(JEDEC)或評(píng)估模塊(EVM)計(jì)算了數(shù)據(jù)表中的典型R?JA值。例如,LMZM23601 45°C/W的R?JA是基于一塊30mm*30mm的雙層電路板計(jì)算出來的。
表1: LMZM23601與按照封裝類型分類的線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)選項(xiàng)
如表2所示,線性穩(wěn)壓器功耗為(24V-3.3V) x 35mA 約等于0.93W功率, 而LMZM23601功耗僅為0.116W。 MSOP-8封裝線性穩(wěn)壓器的溫度上升使得結(jié)溫高于125℃的標(biāo)準(zhǔn)集成電路(IC)結(jié)溫,而根據(jù)45°C/W R?JA,LMZM23601的結(jié)溫為90°C。即使將R?JA乘以系數(shù)5,得到的Tj最大值仍然低于該結(jié)溫。
從這個(gè)例子可以看出,很明顯從熱能角度來看,線性穩(wěn)壓器并非可行的方案。采用開關(guān)方案進(jìn)行權(quán)衡(即使是采用LMZM23601等模塊)意味著必須要考慮輸出紋波。如圖2所示,標(biāo)準(zhǔn)LMZM23601設(shè)計(jì)3.3V輸時(shí)的輸出紋波峰峰值約為3mV。表2:35mA下24V至3.3V轉(zhuǎn)換的熱考量
圖 2:3.3V輸出下LMZM23601EVM的輸出紋波
為了進(jìn)一步降低輸出紋波,可以采用一臺(tái)二級(jí)濾波器,如圖3所示。圖4顯示輸出紋波的峰峰值已從3mV降至低于1mV。
圖 3:帶二級(jí)濾波器的LMZM23601
圖 4:帶二級(jí)濾波器的LMZM23601輸出電壓紋波
對于要滿足緊湊板空間要求的工業(yè)傳感器來說,開關(guān)穩(wěn)壓器是唯一可行的選擇。LMZM23601集成電感器不僅具有高性能,解決方案尺寸小于線性穩(wěn)壓器,同時(shí)具有開關(guān)穩(wěn)壓器的效率。
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