【導(dǎo)讀】近日，德州儀器 Akshay Mehta、Sreenivasa Kallikuppa發(fā)表文章《在DAQ應(yīng)用中使用非隔離DC/DC電源降壓模塊的優(yōu)勢(shì)》。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(gòu)
在DAQ中，跨多個(gè)子系統(tǒng)看到并聯(lián)電源軌和不同的負(fù)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(gòu)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(shì)：
1、同一封裝中的輸出電流通過優(yōu)化的成本提供設(shè)計(jì)靈活性和可擴(kuò)展性。
2、通過自動(dòng)脈沖頻率調(diào)制（PFM）模式提高輕載效率的方法。
3、負(fù)載調(diào)節(jié)期間具有出色的瞬態(tài)響應(yīng)。
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(nèi)工作。
7、從傳統(tǒng)變電站轉(zhuǎn)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(yùn)行良好，但會(huì)出現(xiàn)壓迫跡象，并導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)損壞或故障。
電感器是DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵組件之一。選擇合適的電感器需要時(shí)間和訣竅，包括了解電感鐵芯的細(xì)微參數(shù)及其對(duì)電源性能和壽命的影響。電感器的一個(gè)常見問題是高溫存儲(chǔ)（HTS）測(cè)試期間的故障，這表明電感器能夠長(zhǎng)時(shí)間承受高溫。
在HTS測(cè)試期間，電感器置于DC/DC轉(zhuǎn)換器附近，限制氣流。鐵粉的涂層和/或粘合劑隨著時(shí)間和高溫條件開始分解，這導(dǎo)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(guān)頻率下，問題最為明顯。圖2比較了HTS壓力測(cè)試前后多個(gè)輸入電壓下電感的效率下降問題。
經(jīng)檢查，電感器通常看起來并未明顯受損。電感的L和DCR值可能不會(huì)改變。但是，暴露在高溫下會(huì)增加交流阻抗，如圖2所示。
與此同時(shí)，德州儀器的電源模塊集成了電感器。這些電感器隨著時(shí)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(cè)試結(jié)果。該電源模塊使用電感器，在HTS測(cè)試后，Q和鐵芯電阻變化很小或無變化。
此外，電源模塊經(jīng)受工作電壓測(cè)試，以確保沒有絕緣擊穿。
具有自動(dòng)PFM和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的效率（總負(fù)載和輕負(fù)載）
電源模塊提供MODE/SYNC選項(xiàng)，可在輕負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)換為自動(dòng)節(jié)能模式。正常操作期間，電源模塊使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)節(jié)輸出。
當(dāng)負(fù)載電流極低時(shí)，控制邏輯轉(zhuǎn)換為PFM操作和二極管仿真。在該模式中，高側(cè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）接通一個(gè)或多個(gè)脈沖，以向負(fù)載提供能量。高側(cè)MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間取決于輸入電壓電平和預(yù)編程的內(nèi)部電流電平（IPEAK-MIN）。輸入電壓越高，導(dǎo)通時(shí)間越短。關(guān)斷時(shí)間的持續(xù)時(shí)間也取決于負(fù)載電流水平。較輕的負(fù)載導(dǎo)致較長(zhǎng)的關(guān)閉時(shí)間。
這種操作模式在極輕負(fù)載下可實(shí)現(xiàn)出色的轉(zhuǎn)換效率。使用自動(dòng)PFM模式時(shí)，空載時(shí)的輸出電壓比強(qiáng)制脈沖寬度調(diào)制（FPWM）操作高出約1%。圖4所示為PFM和FPWM模式的效率圖。
負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)是衡量電源如何應(yīng)對(duì)電流需求的突然變化或電源跟蹤負(fù)載阻抗變化的程度的指標(biāo)。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)是一個(gè)越來越重要的性能參數(shù)，特別是對(duì)于微處理器或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列。其具有低核心電壓、高電流消耗和快速負(fù)載切換的特點(diǎn)。圖4所示為電源模塊的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。
若保持足夠低的等效串聯(lián)電阻，則可通過調(diào)整輸出電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)。增加輸入電容可增強(qiáng)對(duì)更長(zhǎng)和/或更深的瞬態(tài)步長(zhǎng)的響應(yīng)。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(guān)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(yīng)。
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(shù)。
此類封裝技術(shù)是如圖5所示的四方扁平無引線（QFN）封裝，具有單個(gè)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(guān)節(jié)點(diǎn)也變得緊湊、長(zhǎng)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(dá)3A的負(fù)載電流。
采用的MicroSiP™或QFN封裝技術(shù)可用于需要更低功率的電源軌。此類封裝技術(shù)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(nèi)工作
電源模塊的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們可在高溫條件下操作。通過優(yōu)化的設(shè)計(jì)、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(fù)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(yùn)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(chǎn)生負(fù)電源。
在標(biāo)準(zhǔn)降壓配置中，正極連接（VOUT）連接到內(nèi)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(fù)輸出。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)反向輸出電壓，如圖7所示。
結(jié)論
除提供上述詳細(xì)的多種優(yōu)勢(shì)外，DAQ應(yīng)用中的電源模塊還可提高系統(tǒng)性能和可靠性，減少設(shè)計(jì)工作，并幫助設(shè)計(jì)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(fù)載電流和可編程輸出電壓，可為DAQ設(shè)計(jì)提供可擴(kuò)展性。
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