作者: 德州儀器 Stephen Ott

現代工廠都采用自動化系統，依靠整個工廠范圍內的許多傳感器提供的反饋信息來保持高生產率。這些公司采用數字現場總線來匯總傳感器收集的大量數據。傳感器收集的數據越多，系統的適應性和操作性就越好。

因此，采用現場總線連接的現代工業傳感器必須以更快和更精確的速率來檢測信號，并將該信息作為與傳統模擬信號相對的數字信號輸出。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量更多，因此形狀因數變小。功率的增大以及形狀因數的變小迫使工廠擯棄成熟的線性穩壓器方案，轉而采用開關穩壓器方案。

而采用開關穩壓器又產生了新的挑戰。由于電感器要求使用額外的區域，因此開關穩壓器形狀因數較大。必須考慮穩壓器開關頻率與測量信號頻率之間的關系。

因此，轉換器的布局更加關鍵。設計不良的開關穩壓器會提高本底噪聲，并產生不必要的電磁兼容性（EMC），將會干擾小型信號的檢測。

幸運的是，我們目前提供了集成電感器DC/DC開關穩壓器，可以最大限度地減少此類挑戰。電感器的集成不僅減小了開關節點的面積，還可以更輕松地實現最佳布局。新型DC/DC轉換器的開關頻率顯著提高，因此可以使用小型片式電感器和陶瓷電容器，使得DC/DC轉換器成為外形最小的選擇。

新型LMZM23601電源模塊將DC/DC轉換器、電感器、Vcc濾波電容器和升壓電容器集成到一個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），同時輸出電流高達1A。如圖1所示，占用最小的板內空間實現完整的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1A

將LMZM23601與傳統的線性穩壓器方案相比較，來滿足現場變送器應用的以下要求：

• 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勢。注意：表1中規定的 R?JA僅供比較參考，鑒于板空間和銅排有限，在實際傳感器應用中，該值會更高。聯合電子設備工程委員會(JEDEC)或評估模塊（EVM）計算了數據表中的典型R?JA值。例如，LMZM23601 45°C/W的R?JA是基于一塊30mm*30mm的雙層電路板計算出來的。

表1： LMZM23601與按照封裝類型分類的線性穩壓器設計選項 

如表2所示，線性穩壓器功耗為（24V-3.3V） x 35mA 約等于0.93W功率， 而LMZM23601功耗僅為0.116W。 MSOP-8封裝線性穩壓器的溫度上升使得結溫高于125℃的標準集成電路（IC）結溫，而根據45°C/W R?JA，LMZM23601的結溫為90°C。即使將R?JA乘以系數5，得到的Tj最大值仍然低于該結溫。

從這個例子可以看出，很明顯從熱能角度來看，線性穩壓器并非可行的方案。采用開關方案進行權衡（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，標準LMZM23601設計3.3V輸時的輸出紋波峰峰值約為3mV。表2：35mA下24V至3.3V轉換的熱考量

圖 2：3.3V輸出下LMZM23601EVM的輸出紋波

為了進一步降低輸出紋波，可以采用一臺二級濾波器，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：帶二級濾波器的LMZM23601

圖 4：帶二級濾波器的LMZM23601輸出電壓紋波

對于要滿足緊湊板空間要求的工業傳感器來說，開關穩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壓器，同時具有開關穩壓器的效率。