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小心“陷阱”!中等强度电流DC/DC模块使用中的常见错误

2018-10-24
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设计人员一直在寻找合适的即用型替代品,以提供1至10安培中等强度电流范围的低压DC输出轨,同时满足基本的性能目标以及效率和法规要求。虽然供应商现在提供许多合适的小型DC/DC转换器/稳压器来满足这一需求,但是不应假定它们只是可以忽视的“替代品”。

 

为什么这样说?尽管它们看起来并不复杂,但这些稳压器仍然是为负载提供中等强度电流的电源。就模块而言,所有设计人员需要做的只是添加几个外部的非关键无源器件。但是,这种便利可能会让设计人员自以为是,导致他们忽略影响所有电源及其电源轨的基础要素。

 

本文将明确并讨论这些重要的基础要素。然后,本文还将介绍多种模块化电源解决方案,并说明如何应用这些核心原则,以充分利用每个解决方案

识别电源设计的“陷阱


首先,有一些好消息。这些器件的运行效率相对较高,通常在80%至95%之间,具体取决于特定的型号和工作点。虽然输出电流处于中等水平,但设计人员仍需要进行基本的热分析和散热分析,以确保器件保持在额定温度范围内,并且不会为系统增加过多的冷却负担。

 

有五个主要的关注点:1) IR压降;2) 隔离;3)输出可调性;4) 开关噪声;以及5) 低阻抗返回路径。第一步,在选择特定的DC/DC稳压器之前,设计人员应该先验证非稳压DC电源能够提供足够的电流,同时要考虑到可能还有其他DC/DC单元也依赖于该电源。此外,还要确保电源的动态性能足以满足较高的电流瞬态负载需求,主要是因为这些稳压器没有大容量输出电容器

IR压降:负载太远了吗?

在确定元器件、I/O端口和潜在热源的位置时,设计人员通常必须面对各种彼此冲突的印刷电路板布局要求。就这方面而言,电源稳压器可能就是一个具有挑战性的器件。理想情况下,它应当靠近负载放置,以最大限度地减少IR压降和噪声拾取,同时减少浪费空间的大面积印刷电路板走线(用于通过电流)的需求。

 

IR压降最容易被忽视,但却是最容易计算的。即使DC/DC稳压器输出与其负载之间仅有几毫欧电阻,也可能导致这些单元的供电电压下降10毫伏或以上。也许这看似微不足道,但当标称DC电源轨仅为几伏时,就可能产生显著的影响。

 

因此,印刷电路板走线的尺寸必须适当,也可以安装在单独的印刷电路板上。应当考虑使用细母线。母线似乎是一种古老的解决方案,但它们非常有效,原因有两点。首先,它们能大幅降低IR压降。其次,以较少的额外BOM成本即可使用双层母线,从而获得优异的直流接地返回路径。

 

为了尽可能减少IR压降;建立更好、更低电阻的系统接地;并最大限度减少可能影响较高频率性能的接地结构中的寄生效应和非直流阻抗,这样做与高压侧DC电源轨本身一样重要。当然,无论物理DC电源轨和接地如何,重要的是要让低阻抗、低值旁路电容器尽可能靠近IC电源引脚或引线,同时最大限度减少电源轨上的噪声相关问题。

 

在某些情况下,IR压降仍然是不可接受的,因此需要使用包含远程检测的专用稳压器架构。这里,稳压器具有两个用于电流提供和返回的传统端子,此外还具有两个连接在负载上的检测端子,用于测量该负载处的实际电压。该稳压器使用此检测值作为反馈来调节其输出电压,以补偿压降的影响(图1)


图1:远程检测允许直流电源直接在负载处测量实际的轨电压,并根据需要动态补偿任何IR压降或其他变化。(图片来源:Analog Devices


例如,LinearTechnology Corp/Analog Devices的LTM4601 µModule®可通过4.5到20伏的DC输入提供0.6到5.0伏之间的最高12安培的大电流。在这种较高的电流之下,IR压降可能会影响系统性能和行为一致性。使用远程检测,该模块可以校正印刷电路板在VOUT和VLOAD之间的IR压降电压损失,以及接地返回路径。因此,尽管线路、负载和温度存在变化,但LTM4601仍可确保负载的电压精度达到±2.0%或更高。

 

但请注意,远程检测并不是灵丹妙药。实际上,它在电源和负载之间放置了一个大型反馈回路。如果您将电源稳压器视为一种功率运算放大器,那么此反馈环路会将电源暴露在噪声和EMI/RFI之下,从而影响闭环性能。甚至,这种环路的存在还可能导致稳压器不稳定和振荡。因此,在实现远程检测时必须仔细考虑布局。

 

另一种最小化IR影响的方法是在靠近各个负载的位置使用多个较小的稳压器,而不是集中在某个位置放置一个较大的稳压器。这会产生一个关于有形“成本”的经典权衡问题,即使用两个或以上较小、较便宜的单元还是一个较大、较昂贵的单元。虽然BOM成本差异是可以量化的,但选择一个大型器件与多个小型器件的技术影响则难以评估,需要分析以及判断和经验。

 

例如,Texas InstrumentsLMZM33602电源模块采用相对较小的扁平封装,将降压转换器与功率MOSFET、屏蔽式电感器和无源器件组合在一起,可提供1至18伏电压,电流最高可达2安培(图1)。它只需要四到五个非关键的外部无源元件,并消除了稳压器设计的环路补偿和磁性问题。


图2使用多个像Texas Instruments的LMZM33602这样较小尺寸、较低电流的稳压器可能会增加BOM,但同时也可以简化布局并在IR压降和噪声方面改善性能。(图片来源:Texas Instruments)


LMZM33602采用QFN封装,尺寸仅为9 mm × 7 mm × 4 mm,可轻松贴装在负载元件或子电路附近。这样做可以通过两种方式最小化IR压降。

 

首先,它靠近负载,可降低电源轨电阻和噪声拾取。其次,输出电流仅为几安培,也降低了IR压降。因此,与使用单个较大的10安培单元相比,部署多个此类单元可以提供更大的布局灵活性、降低IR压降、减少噪声拾取、提高分布式散热以及其他系统级优势

隔离:有时是可选的,但通常是强制性的

对电流隔离的需求(即电路的两个部分之间没有任何电阻路径)可能在某种程度上是有利的,或者是强制性。消除系统接地回路也许有所帮助,因为可能需要连接“浮动”(非接地)变送器,或者必须这样做以确保高压电路与医疗器械用户之间的安全性。对于许多设计人员而言,这种隔离的必要性或作用要么不明确,要么难以理解。

 

先不考虑基本原理如何,有一个经常被忽视的事实是隔离子电路也需要隔离电源,该电源通常保持相对较低的电流水平。过去,即使对低电流隔离电源的需求也需要大量的电路板空间,与其他功能相比,其BOM成本通常过高。选择“自建”的途径而不是“购买”通常是不可行的,因为隔离设计在设计或装配方面都有很大影响。此外,对于许多应用而言,需要对隔离设计和物理实现进行测试和认证以满足行业和监管标准。这是一个昂贵而复杂的过程。

 

不过,由于小巧且完全合规和经过认证的隔离式DC/DC模块(例如Analog Devices的LTM8047,图3)的出现,设计人员可以在很大程度上克服这个问题。使用隔离反激拓扑,可提供725VDC的隔离

 

图3:元器件、拓扑结构和封装方面的进步使得Analog Devices的LTM8047稳压器模块能够提供电流隔离,满足其额定电压对应的所有相关监管标准,但在用户看来,它似乎是传统的非隔离器件。(图片来源:AnalogDevices


在其尺寸为11.25 mm × 9 mm × 4.92 mm的微小BGA封装内,封装了开关控制器、电源开关和所有支持元器件,以及隔离变压器的核心元件(图4)。它可以从3.1至32伏的宽输入电压范围提供2.5至12伏的输出(始终处于降压模式)。尽管它只能提供中等强度电流,在2.5伏直流电压下为440毫安 (mA),但这足以为许多隔离的子电路和变送器前端供电。

图4:由于物理定律和相关法规要求,提供隔离时要求在输入和输出之间存在用于物理隔离的间隙;Analog Devices的LTM8047尺寸支持750伏特的隔离,足以满足许多应用场合的需求。(图片来源:AnalogDevices


可调节性:有用,但要小心

这些现成的DC/DC稳压器很少提供固定的预设电压。用户可以使用由一对电阻器构成的分压器来设置电压。这样做有诸多优点:可以在许多位置使用相同的稳压器,从而简化了BOM;输出电压可以“上调”几mV以补偿IR压降(在许多情况下,这不是推荐的做法,但十分常见);并且可以向上调节输出电压以适应模拟电路中的所需设置,尤其是射频,其中涉及指定性能与功耗的权衡(高电压提供更好的SNR和更宽的带宽,但代价是会增加功耗)。

 

然而用户需要认识到,必须在有关稳压器标称DC输出电压的任何计算中考虑到电压设置电阻器的稳定性和温度系数以及热工作环境。在较高温度下,DC电源轨可能会漂移出负载规格范围。因此,为此功能选择具有低温度系数的电压设置电阻可能是明智的或是必要的,而不是使用像上拉电阻这样的通用器件,后者可能只适合其他非关键功能。

 

某些DC/DC稳压器提供的另一项设置功能是选择开关频率(所有这些稳压器都使用开关拓扑;出于效率和尺寸的原因,它们都不是低压差稳压器,即LDO)。例如,Maxim IntegratedMAX17536可通过单个电阻进行设置,工作在100千赫 (KHz) 至2.2兆赫(MHz) 的宽频率范围内(图5)。这样便可对其进行设置,以避免其开关噪声对存在频率重叠的附近电路产生影响,例如550至1600kHz的AM无线电频段,或者规避开包含相关信号的特定窄带

 

图5:单个电阻决定了Maxim MAX17536稳压器在100kHz至2.2MHz宽频带内的开关频率,因而能够灵活地将电路或信号干扰降至最低。(图片来源:MaximIntegrated


请注意,电阻和开关频率之间的关系是非线性的,且不是太精确。由于此原因及其他一些原因,MAX17536可以设置为与外部电源同步,而不是按其电阻设置的频率工作。这样还能避免与系统中的其他时钟源发生意外的频率混合以及由此产生的拍频,后者可能导致细微且难以诊断的问题


总结



这些完整、小巧的DC/DC转换器可消除设计低压、中等强度电流(1安培或以下至10安培之间)电源时存在的大部分风险和棘手问题。然而,与任何元器件一样,会有一些公认的基本规则,并且通常只有遵循这些规则才能实现成功安装,发挥其全部潜力并避开“陷阱”


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