工業(yè)傳感器供電采用開(kāi)關(guān)穩壓器方案真的好嗎？

  現代化的工廠(chǎng)普遍采用自動(dòng)化系統，依靠整個(gè)工廠(chǎng)范圍內的許多傳感器提供的反饋信息來(lái)保持高生產(chǎn)率。這些公司采用數字現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)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(chǎng)總線(xiàn)連接的現代工業(yè)傳感器必須以更快和更精確的速率來(lái)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(chǎng)中此類(lèi)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(chǎng)擯棄成熟的線(xiàn)性穩壓器方案，轉而采用開(kāi)關(guān)穩壓器方案。

  而采用開(kāi)關(guān)穩壓器又產(chǎn)生了新的挑戰。由于電感器要求使用額外的區域，因此開(kāi)關(guān)穩壓器形狀因數較大。必須考慮穩壓器開(kāi)關(guān)頻率與測量信號頻率之間的關(guān)系。因此，轉換器的布局更加關(guān)鍵。設計不良的開(kāi)關(guān)穩壓器會(huì )提高本底噪聲，并產(chǎn)生不必要的電磁兼容性（EMC），將會(huì )干擾小型信號的檢測。

  幸運的是，我們目前提供了集成電感器DC/DC開(kāi)關(guān)穩壓器，可以最大限度地減少此類(lèi)挑戰。電感器的集成不僅減小了開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的面積，還可以更輕松地實(shí)現最佳布局。新型DC/DC轉換器的開(kāi)關(guān)頻率顯著(zhù)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(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1A。如圖1所示，占用最小的板內空間實(shí)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(xiàn)性穩壓器方案相比較，來(lái)滿(mǎn)足現場(chǎng)變送器應用的以下要求：
  輸入電壓：10V至30V，公稱(chēng)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中規定的 RJA僅供比較參考，鑒于板空間和銅排有限，在實(shí)際傳感器應用中，該值會(huì )更高。聯(lián)合電子設備工程委員會(huì )(JEDEC)或評估模塊（EVM）計算了數據表中的典型RJA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(lái)的。

  表1： LMZM23601與按照封裝類(lèi)型分類(lèi)的線(xiàn)性穩壓器設計選項

  如表2所示，線(xiàn)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(xiàn)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 RJA，LMZM23601的結溫為90°C。即使將RJA乘以系數5，得到的Tj最大值仍然低于該結溫。

  從這個(gè)例子可以看出，很明顯從熱能角度來(lái)看，線(xiàn)性穩壓器并非可行的方案。采用開(kāi)關(guān)方案進(jìn)行權衡（即使是采用LMZM23601等模塊）意味著(zhù)必須要考慮輸出紋波。如圖2所示，標準LMZM23601設計3.3V輸時(shí)的輸出紋波峰峰值約為3mV。表2：35mA下24V至3.3V轉換的熱考量

  為了進(jìn)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2：3.3V輸出下LMZM23601EVM的輸出紋波

 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(mǎn)足緊湊板空間要求的工業(yè)傳感器來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)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(xiàn)性穩壓器，同時(shí)具有開(kāi)關(guān)穩壓器的效率。

  原文鏈接：https://sensor.ofweek.com/2018-09/ART-81011-8300-30269688.html

[上一篇：新型降壓型μModule負載點(diǎn)穩壓器] [下一篇：穩壓器的作用是什么？]