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工业传感器供电采用线性稳压器还是开关稳压器?

作者: Stephen Ott时间:2018-09-28来源:电子产品世界收藏

  现代工厂都采用自动化系统,依靠整个工厂范围内的许多传感器提供的反馈信息来保持高生产率。这些公司采用数字现场总线来汇总传感器收集的大量数据。传感器收集的数据越多,系统的适应性和操作性就越好。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201809/392416.htm

  因此,采用现场总线连接的现代必须以更快和更精确的速率来检测信号,并将该信息作为与传统模拟信号相对的数字信号输出。这一功能要求传感器使用功率更大的处理器。此外,由于工厂中此类传感器的数量更多,因此形状因数变小。功率的增大以及形状因数的变小迫使工厂摈弃成熟的线性方案,转而采用开关方案。

  而采用开关又产生了新的挑战。由于电感器要求使用额外的区域,因此开关稳压器形状因数较大。必须考虑稳压器开关频率与测量信号频率之间的关系。

  因此,转换器的布局更加关键。设计不良的开关稳压器会提高本底噪声,并产生不必要的电磁兼容性(EMC),将会干扰小型信号的检测。

  幸运的是,我们目前提供了集成电感器DC/DC开关稳压器,可以最大限度地减少此类挑战。电感器的集成不仅减小了开关节点的面积,还可以更轻松地实现最佳布局。新型DC/DC转换器的开关频率显著提高,因此可以使用小型片式电感器和陶瓷电容器,使得DC/DC转换器成为外形最小的选择。

  新型LMZM23601电源模块将DC/DC转换器、电感器、Vcc滤波电容器和升压电容器集成到一个3mm*3.8mm*1.6mm的封装中。这样可以处理最高36V的输入电压,并将电压从15V降至2.5V(固定5V和3.3V可选),同时输出电流高达1A。如图1所示,占用最小的板内空间实现完整的1A解决方案。

  图 1:LMZM23601解决方案适用于3.3V至5V输出,电流高达1A

  将LMZM23601与传统的线性稳压器方案相比较,来满足现场变送器应用的以下要求:

  · 输入电压:10V至30V,公称24V

  · 输出电压:3.3V

  · 输出电流:35mA

  · 温度范围:环境温度-40°C至85°C

  · 板面积:4mm*4.5mm

  如表1所示,与微型小外形封装(MSOP)8相比,LMZM23601具有封装面积和热能方面的优势。注意:表1中规定的 RӨJA仅供比较参考,鉴于板空间和铜排有限,在实际传感器应用中,该值会更高。联合电子设备工程委员会(JEDEC)或评估模块(EVM)计算了数据表中的典型RӨJA值。例如,LMZM23601 45°C/W的RӨJA是基于一块30mm*30mm的双层电路板计算出来的。

  表1: LMZM23601与按照封装类型分类的线性稳压器设计选项

  如表2所示,线性稳压器功耗为(24V-3.3V) x 35mA 约等于0.93W功率, 而LMZM23601功耗仅为0.116W。 MSOP-8封装线性稳压器的温度上升使得结温高于125℃的标准集成电路(IC)结温,而根据45°C/W RӨJA,LMZM23601的结温为90°C。即使将RӨJA乘以系数5,得到的Tj最大值仍然低于该结温。

  从这个例子可以看出,很明显从热能角度来看,线性稳压器并非可行的方案。采用开关方案进行权衡(即使是采用LMZM23601等模块)意味着必须要考虑输出纹波。如图2所示,标准LMZM23601设计3.3V输时的输出纹波峰峰值约为3mV。表2:35mA下24V至3.3V转换的热考量

  图 2:3.3V输出下LMZM23601EVM的输出纹波

  为了进一步降低输出纹波,可以采用一台二级滤波器,如图3所示。图4显示输出纹波的峰峰值已从3mV降至低于1mV。

  图 3:带二级滤波器的LMZM23601

  图 4:带二级滤波器的LMZM23601输出电压纹波

  对于要满足紧凑板空间要求的来说,开关稳压器是唯一可行的选择。LMZM23601集成电感器不仅具有高性能,解决方案尺寸小于线性稳压器,同时具有开关稳压器的效率。



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