工業(yè)傳感器供電采用線性穩(wěn)壓器還是開關(guān)穩(wěn)壓器？

作者： 德州儀器 Stephen Ott

現(xiàn)代工廠都采用自動(dòng)化系統(tǒng)，依靠整個(gè)工廠范圍內(nèi)的許多傳感器提供的反饋信息來保持高生產(chǎn)率。這些公司采用數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線來匯總傳感器收集的大量數(shù)據(jù)。傳感器收集的數(shù)據(jù)越多，系統(tǒng)的適應(yīng)性和操作性就越好。

因此，采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接的現(xiàn)代工業(yè)傳感器必須以更快和更精確的速率來檢測(cè)信號(hào)，并將該信息作為與傳統(tǒng)模擬信號(hào)相對(duì)的數(shù)字信號(hào)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(shù)量更多，因此形狀因數(shù)變小。功率的增大以及形狀因數(shù)的變小迫使工廠擯棄成熟的線性穩(wěn)壓器方案，轉(zhuǎn)而采用開關(guān)穩(wěn)壓器方案。

而采用開關(guān)穩(wěn)壓器又產(chǎn)生了新的挑戰(zhàn)。由于電感器要求使用額外的區(qū)域，因此開關(guān)穩(wěn)壓器形狀因數(shù)較大。必須考慮穩(wěn)壓器開關(guān)頻率與測(cè)量信號(hào)頻率之間的關(guān)系。

因此，轉(zhuǎn)換器的布局更加關(guān)鍵。設(shè)計(jì)不良的開關(guān)穩(wěn)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(hào)的檢測(cè)。

幸運(yùn)的是，我們目前提供了集成電感器DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器，可以最大限度地減少此類挑戰(zhàn)。電感器的集成不僅減小了開關(guān)節(jié)點(diǎn)的面積，還可以更輕松地實(shí)現(xiàn)最佳布局。新型DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)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(zhuǎn)換器成為外形最小的選擇。

新型LMZM23601電源模塊將DC/DC轉(zhuǎn)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(dá)1A。如圖1所示，占用最小的板內(nèi)空間實(shí)現(xiàn)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(dá)1A

將LMZM23601與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器方案相比較，來滿足現(xiàn)場(chǎng)變送器應(yīng)用的以下要求：

1. 輸入電壓：10V至30V，公稱24V
2. 輸出電壓：3.3V
3. 輸出電流：35mA
4. 溫度范圍：環(huán)境溫度-40°C至85°C
5. 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(shì)。注意：表1中規(guī)定的 R?JA僅供比較參考，鑒于板空間和銅排有限，在實(shí)際傳感器應(yīng)用中，該值會(huì)更高。聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(huì)（JEDEC）或評(píng)估模塊（EVM）計(jì)算了數(shù)據(jù)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(jì)算出來的。

表1： LMZM23601與按照封裝類型分類的線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)選項(xiàng)

如表2所示，線性穩(wěn)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(wěn)壓器的溫度上升使得結(jié)溫高于125℃的標(biāo)準(zhǔn)集成電路（IC）結(jié)溫，而根據(jù)45°C/W R?JA，LMZM23601的結(jié)溫為90°C。即使將R?JA乘以系數(shù)5，得到的Tj最大值仍然低于該結(jié)溫。

從這個(gè)例子可以看出，很明顯從熱能角度來看，線性穩(wěn)壓器并非可行的方案。采用開關(guān)方案進(jìn)行權(quán)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(biāo)準(zhǔn)LMZM23601設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換的熱考量

圖 2：3.3V輸出下LMZM23601EVM的輸出紋波

為了進(jìn)一步降低輸出紋波，可以采用一臺(tái)二級(jí)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(jí)濾波器的LMZM23601

圖 4：帶二級(jí)濾波器的LMZM23601輸出電壓紋波

對(duì)于要滿足緊湊板空間要求的工業(yè)傳感器來說，開關(guān)穩(wěn)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(wěn)壓器，同時(shí)具有開關(guān)穩(wěn)壓器的效率。