采用納米功率模塊實現(xiàn)DC/DC轉換器的設計

無論是電信基礎設施還是工業(yè)機器人，系統(tǒng)板都會增加更多功能和特性，從而減少可用電源的空間。以計算機中的分布式電源架構為例，其中負載點（POL）穩(wěn)壓器和DC/DC轉換器要求盡可能小。此外，這些DC/DC轉換器模塊必須使用最少數(shù)量的外部元件，并提供高效率和快速瞬態(tài)響應。這些微型電源的尺寸小于50 mm 2 ，還必須具有出色的電磁干擾（EMI）性能。換句話說，盡管具有高開關頻率，但所使用的集成電感器必須良好屏蔽，以將RF發(fā)射保持在最低限度，以便它們滿足所需的法規(guī)要求。現(xiàn)在添加工程師對可擴展性的偏好，因為它可以在不改變印刷電路板的情況下輕松升級模塊?？偠灾@是一個令人生畏的要求清單。

考慮到現(xiàn)代電源產(chǎn)品的這些新需求，德州儀器（TI）擴展了其廣受歡迎的Simple Switcher DC/DC轉換器系列，其中包括四個名為Nano Modules的新成員。四個Nano模塊專為空間受限的POL應用而設計，包括高達17 V的DC/DC轉換器，允許設計人員添加新功能，保持高效率，滿足輻射EMI要求，并適應更小的外形尺寸，同時保持設計過程簡單和系統(tǒng)成本低。從本質上講，Nano模塊可以最大限度地提高功率密度和散熱性能，同時保持簡單性

納米功率模塊

有兩個版本：5 V部分，包括LMZ20501和LMZ20502，可在0.8 V至3.6 V的可調輸出電壓下提供高達2 A的輸出電流，較高的17 V版本LMZ21700/01在0.9 V至6.0 V輸出電壓下的額定輸出電流為1A。 Nano模塊的尺寸小至30 mm 2 ，比分立器件小40％，具有低EMI，符合CISPR（B類）輻射和傳導EMI標準。例如，17 V，1 A器件LMZ21701采用3.5 x 3.5 x 1.75 mm的微型封裝，并集成了控制器/邏輯，功率MOSFET和高頻電感，以及其他脈沖寬度調制（ PWM）在這個小型封裝中起作用（圖1）。因此，它提供了一個完整的降壓DC/DC轉換器解決方案，能夠在空間受限的應用中驅動高達1 A的負載，如網(wǎng)絡安全攝像頭，工廠自動化和工業(yè)機器人。

雖然LMZ21701的輸入電壓范圍為3至17 V，主要用于5 V或12 V輸入應用。由于Nano模塊是高度集成的，因此只需一個輸入電容，一個輸出電容，一個軟啟動電容和兩個電阻，用于基本的降壓DC/DC轉換，如圖2所示。作為一個快速入門，產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊提供1.2 V至5.0 V輸出電壓的外部元件值。

圖1：17 V納米模塊LMZ21701采用控制器/邏輯，功率MOSFET和微型封裝中的電感器。

圖2：LMZ21701僅需一個輸入電容，一個輸出電容，一個軟啟動電容和兩個基本降壓電阻DC/DC轉換解決方案。

作為示例，表1給出了使用LMZ21701的VOUT為1.2 V的元件值。其他輸出電壓軌的類似表格在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中提供。除了給出精確值外，數(shù)據(jù)手冊還推薦了具有電阻尺寸和公差的陶瓷電容器類型。

表1：使用Nano Module LMZ21701輸出電壓VOUT為1.2 V的外部元件值。

根據(jù)TI的產(chǎn)品線營銷工程師Stephen Ott通過將高頻開關技術與磁性技術的進步相結合，實現(xiàn)了高密度，高性能的納米模塊。為了實現(xiàn)小尺寸解決方案，LMZ21701 Nano模塊采用創(chuàng)新的MicroSiP封裝，具有DFN封裝。該結構由嵌入在FR-4層壓基板內的同步降壓轉換器IC組成，功率電感器安裝在基板材料的頂部（圖3）。 Nano Modules系列的其他成員也采用了類似的技術。

圖3：封裝橫截面顯示Nano Module的分立電感器安裝在基板材料的頂部，而同步降壓IC嵌入在FR-內部4層壓基板。

Stephen Ott解釋說，LMZ21701架構基于直接控制，可無縫轉換為省電模式或DCS控制。他說，這種架構結合了遲滯型轉換器的快速瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性，以及電壓模式和電流模式穩(wěn)壓器的精確直流輸出調節(jié)。如圖4所示，負載變化的效率也很高。相比之下，對于相同的12 V輸入，1.2 V輸出的滿載效率略低于3.3 V輸出。同樣，在低負載時，與3.3 V相比，1.2 V輸出時效率下降得更快。然而，3.3 V輸出的峰值效率約為90％，而1.2 V輸出時為80％。同樣，在低負載時，3.3 V輸出的效率為72％，而1.2 V輸出的效率為50％。

圖4：納米模塊LMZ21701的效率圖，輸入電壓VIN = 12 V，輸出電壓VOUT范圍為1.2 V至5.0 V.

參考設計

為了證明Nano Module LMZ21701適用于寬輸入，多輸出高密度DC/DC解決方案，TI使用Simple Switcher轉換器創(chuàng)建了參考設計LM46002和納米模塊LMZ21701。它被標記為PMP10618。四個輸出圖如圖5所示。在此設計中，LM46002提供一個15 V至60 V輸入的穩(wěn)壓12 V電壓軌。然后使用12 V電壓軌調節(jié)至5 V，3.3 V和1.8 V電壓軌。三個LMZ21701模塊。每根導軌可提供高達1 A的負載電流。參考設計提供了包含物料清單（BOM）的完整原理圖。 TI還創(chuàng)建了類似的LMZ20502參考設計。標簽為PMP10595，它提供單輸出DC/DC解決方案，輸入電壓范圍為2.7 V至5.5 V，輸出電壓為1.8 V，2 A。

圖5：使用簡單切換器模塊LM46002和LMZ21701的寬VIN輸入，多軌設計。

總之，四個Nano模塊可實現(xiàn)最小的POL和DC/DC轉換器解決方案，而不會影響性能。廣泛的空間受限應用。