非隔離DC/DC電源模塊如何幫助提高DAQ性能

近日，德州儀器 Akshay Mehta、Sreenivasa Kallikuppa發(fā)表文章《在DAQ應用中使用非隔離DC/DC電源降壓模塊的優(yōu)勢》。介紹了電源模塊幫助提高DAQ性能的一些方法。

DAQ的電源架構

在DAQ中，跨多個子系統(tǒng)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。圖1展示了DAQ系統(tǒng)的電源架構以及電源模塊如何為各種子系統(tǒng)生成所需的電源軌。

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：

1、同一封裝中的輸出電流通過優(yōu)化的成本提供設計靈活性和可擴展性。

2、通過自動脈沖頻率調制（PFM）模式提高輕載效率的方法。

3、負載調節(jié)期間具有出色的瞬態(tài)響應。

4、通過集成、創(chuàng)新封裝和組裝的緊湊型解決方案。

5、通過精選的無源元件選擇改善了功率模塊性能。

6、可在很寬的溫度范圍內工作。

7、從傳統(tǒng)變電站轉向智能變電站

通過選擇無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，但會出現(xiàn)壓迫跡象，并導致現(xiàn)場損壞或故障。

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

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/或粘合劑隨著時間和高溫條件開始分解，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關頻率下，問題最為明顯。圖2比較了HTS壓力測試前后多個輸入電壓下電感的效率下降問題。

經檢查，電感器通?？雌饋聿⑽疵黠@受損。電感的L和DCR值可能不會改變。但是，暴露在高溫下會增加交流阻抗，如圖2所示。

與此同時，德州儀器的電源模塊集成了電感器。這些電感器隨著時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電感的HTS測試結果。該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變化。

此外，電源模塊經受工作電壓測試，以確保沒有絕緣擊穿。

具有自動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，可在輕負載時轉換為自動節(jié)能模式。正常操作期間，電源模塊使用脈沖寬度調制（PWM）調節(jié)輸出。

當負載電流極低時，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效應晶體管（MOSFET）接通一個或多個脈沖，以向負載提供能量。高側MOSFET的導通時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，導通時間越短。關斷時間的持續(xù)時間也取決于負載電流水平。較輕的負載導致較長的關閉時間。

這種操作模式在極輕負載下可實現(xiàn)出色的轉換效率。使用自動PFM模式時，空載時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)響應是一個越來越重要的性能參數(shù)，特別是對于微處理器或現(xiàn)場可編程門陣列。其具有低核心電壓、高電流消耗和快速負載切換的特點。圖4所示為電源模塊的負載瞬態(tài)響應。

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

縮小解決方案尺寸

德州儀器現(xiàn)已開發(fā)出創(chuàng)新的用于功率模塊的緊湊封裝技術。

此類封裝技術是如圖5所示的四方扁平無引線（QFN）封裝，具有單個銅引線框架。帶旁路元件的集成電路（IC）安裝在該引線框架上。通過將電感器安裝在IC和無源元件上，開關節(jié)點也變得緊湊、長度較短，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。

采用的MicroSiP?或QFN封裝技術可用于需要更低功率的電源軌。此類封裝技術使用裸DC/DC穩(wěn)壓器芯片并將其嵌入薄的印刷電路板基板中。銅跡線不是使用接合線，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。

可在很寬的溫度范圍內工作

電源模塊的一個優(yōu)點是它們可在高溫條件下操作。通過優(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。

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。可使用多種方法生成所需的雙極DC電源。一種方法是通過在反向降壓-升壓配置中使用功率模塊來產生負電源。

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(tǒng)地。在反向降壓-升壓配置中，系統(tǒng)接地連接到VOUT，回路現(xiàn)在是負輸出。這種拓撲結構可實現(xiàn)反向輸出電壓，如圖7所示。

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(tǒng)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。
編輯：hfy