技术文章：巧用电源模块

基于PC的实验室仪器平台使自动化实验室设置和数据收集变得简单而有效。工程师对用于仪表系统(如外围组件互连(PCI)的仪表扩展(PXIe)系统)的DC/DC转换器具有独特的要求，包括：低电磁干扰(EMI)、小尺寸解决方案、高效率、宽输入电压范围以及良好的线路和负载调节。本文让我们了解这些不同的要求，以及电源模块如何帮助满足这些要求。

低电磁干扰(EMI)

因为EMI会导致设备性能下降和潜在的故障，实验室仪器对其有着极其严格的标准。由于固有的开关作用，基于开关模式的DC/DC电源是EMI的主要原因。

图1所示为降压稳压器的基本连接图。在降压稳压器中，由电感器L、输出电容器COUT和低侧场效应晶体管QLS形成的环路具有连续的电流。但是，由于FET的开关作用，在由高侧开关QHS、低侧开关QLS和输入电容器CIN产生的环路中存在不连续的电流流动。

 

 

图 1：简化的降压稳压器图

由连接走线包围的区域决定了在此不连续电流的路径中将存在多少寄生电感。公式1表明，流经电感的开关电流会在其两端产生电压差。

 

 

因此，这种设置无意中会导致电压尖峰和EMI，如图2所示。

 

 

图 2：电压尖峰和EMI

虽然这不可避免，但让输入电容极其靠近两个FET的简单布局有助于减小环路面积，减小寄生电感，降低电压尖峰并降低EMI。

功率模块在此具有优势，因为输入电容器通常集成在封装内且极其靠近集成电路(IC)。类似的逻辑也适用于集成在功率模块中的自举电容器。

组件选择

如图1所示，除走线长度外，具有大寄生效应的不良元件会使情况恶化，因为它们处于脉冲电流的路径中。开关节点的面积和电感的选择直接影响EMI。开关节点太大，且非屏蔽电感器具有大寄生电容会散发出大量噪声。

如图3所示，由于模块电源集成了很多无源器件，使得开关节点区域得到了很好的优化。

 

 

图 3：电源模块内部结构

流经电感器的电流会产生磁场，未经抑制的磁场导致更差的EMI，非屏蔽电感器对于该磁场没有抑制方法。

电源模块通常集成了经高水平应力测试的屏蔽电感器，有助于抑制辐射噪声，从而减少污染附近其他敏感电路的可能性。

较新的DC/DC稳压器采用德州仪器(TI)的HotRod?封装技术。图4比较了HotRod封装技术和标准的线焊方形扁平无引脚(QFN)封装。

 

 

图 4：HotRod封装技术

这种封装技术消除通常用于将芯片焊盘连至引线框架的封装接线，使用具有小焊接凸块的铜柱。没有封装接线，寄生电感减少并进一步有助于减轻EMI。

频率同步

EMI是降压稳压器开关作用的产物，这意味着开关频率(FSW)对于保持低电磁干扰非常重要。在多个降压稳压器为各种轨道供电的系统中，可能存在来自这些不同开关频率相互之间的干扰作用的拍频。由于拍频可在随机频率发生且其谐波也不可预测，因此在复杂的仪器系统中减轻电磁干扰极具挑战性。

为帮助解决此问题，TI LMZM33603和LMZM33606等电源模块配备了频率同步输入引脚，可使系统中的所有降压稳压器以一个公共频率进行切换。此功能不仅有助于避免拍频，还能将FSW谐波保持在已知频率。接着，设计一个减轻EMI的输入滤波器变得更加容易。图5所示为使用LMZM33606电源模块的典型原理图。

图 5: 5 V输出的典型原理图

小型解空间中的高效率要求

台式仪表设备使用较小的机箱，这可能导致空间受限的系统。这些机箱可能小于3U，通常为半机架宽度。具有集成系统模块的PXIe机箱的示例可仅具有五个插槽：三个混合，两个PXIe。

在这种空间受限的环境中，电源模块成为实用的选择。在适用时，使用它们可大大减少空间限制并缩短产品上市时间。图6中的电源树所示为可用于台式PXIe机箱中的背板电源的电源模块和分立稳压器。

 

 

图 6：台式PXIe机箱的电源树示例

由于负载电流限制，电源模块可能无法为所有电压轨供电。在需要更多电流功能的系统中，您必须选择其他设备。德州仪器的WEBENCH?工具是了解更多有关其他器件和获取设计原理图，以及诸如效率、物料清单(BOM)大小和BOM成本等重要参数的一个好方法。

表1比较了TI功率模块(LMZM33606和LMZM33602)和集成稳压器(LM73606和LMR33620)。如您所见，在设计中实现电源模块时可节省相当大的空间。操作效率在没有任何可感知的变化时，空间得以节省。

器件

LM73606

(5VOUT,   6A)

LMZM33606

(5VOUT,   6A)

LMR23625

(-12VOUT,   0.75A)

LMZM33602

(-12VOUT,   0.75A)

解决方案

尺寸(mm2)

569

300

248

140

效率

(%)

92

91

85

85

表 1：DC/DC稳压器与电源模块的比较

图5中的模块原理图非常简单。具有如此低的周边元件数目，所得到的设计将占用极小的空间。图6所示为LMZM33606在多个输入电压下的负载电流效率。

 

 

图 6：LMZM33606效率

良好的线路和负载调节

仪表系统的输入电压可能为18 V至36 V的未经调压的电压。所有轨道的典型线路调节率可为0.1%至0.2%。在各种控制架构中，峰值电流模式(PCM)架构是可实现这种严格要求的架构。如图7所示，通过检测通过高侧场效应晶体管(FET)的电流，PCM架构起作用，以产生比较斜坡。

 

 

图 7：PCM架构的简化原理图

随着输入电压不断变化，首先要改变电流斜率。它作为系统的前馈，在输入电压变化时校正占空比。因此，占空比的瞬时更新有助于实现极佳的线路调节。LMZM33606和LMZM33602基于PCM架构，这极其适合此类系统。

图8所示为LMZM33606的线路和负载调节。对于3A负载，线路稳压率为0.02%;对于标称24 V输入，负载调节率为0.1%。

 

 

图 8：LMZM33606线路和负载调节

除节省空间和优化性能外，电源模块还提供其它优势。它们集成了高质量无源元件，可在高温下进行大量测试，以确保长寿命和可靠性。它们的特性使电源模块对实验室仪器设备更具吸引力。