1.前言

隨著工廠自動(dòng)化和控制設(shè)備市場(chǎng)的發(fā)展，帶有傳感器的設(shè)備（如現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射器、機(jī)器視覺(jué)和位置傳感器）的出貨量正在增加。因此，對(duì)可為這些設(shè)備供電的功能豐富的電源集成電路(IC) 的需求也在不斷增長(zhǎng)。

圖1 顯示了溫度變送器的框圖。非隔離式電源子系統(tǒng)（以紅色突出顯示）由低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)、DC/DC 轉(zhuǎn)換器或電源模塊組成。在本文中，我將介紹如何將降壓轉(zhuǎn)換器和 LDO 用于同一目的選擇。

圖1：溫度變送器子系統(tǒng)

2.高輸入電壓，熱效應(yīng)非常明顯

在工廠自動(dòng)化和控制設(shè)備中有多種調(diào)節(jié)輸入直流電壓的方法。我們可以使用LDO、DC/DC 轉(zhuǎn)換器或電源模塊。TPS7A47等LDO因其簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)以及衰減輸入噪聲和提供無(wú)紋波輸出電壓的能力而常用于傳感器電源。DC/DC 轉(zhuǎn)換器是在較低輸出電壓、較高輸入電壓或較高輸出電流下運(yùn)行的應(yīng)用的理想選擇。例如，LMR36502和LMR36506 DC/DC 轉(zhuǎn)換器支持 1 μA 的低停機(jī)電流規(guī)格和 7 μA 的工作靜態(tài)電流規(guī)格。 對(duì)于具有低輸出電流（小于 20 mA）的負(fù)載，這些性能規(guī)格可確保 4 至 20 mA 回路應(yīng)用的更高效率。圖 2 顯示了LMR36506轉(zhuǎn)換器的效率和熱性能。

圖2：24 V輸入、5 V輸出、2.1 MHz 和 0.6A 時(shí)的效率和熱性能

大挑戰(zhàn)，小解決方案

大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)傳感器都很小，這限制了印刷電路板(PCB) 的尺寸。例如，帶有 M12 外殼的超聲波傳感器需要小于 9 毫米的 PCB 寬度。在子系統(tǒng)中的小型 PCB 上集成電源組件（如圖 1 所示）對(duì)硬件設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)非常具有挑戰(zhàn)性。

帶有集成電感器的電源模塊（例如TPSM265R1)可以解決這一挑戰(zhàn)，因?yàn)镈C/DC 轉(zhuǎn)換器要求我們使用額外的組件（例如電感器）來(lái)保持高頻。但是，如果您更喜歡使用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，則可以通過(guò)選擇在更高頻率下運(yùn)行的轉(zhuǎn)換器來(lái)減小整體解決方案的尺寸，從而減小電感器和電容器的尺寸，或者選擇具有集成外部組件的器件。

例如，LMR36502和LMR36506 采用 2mm x 2mm 封裝，最小可控導(dǎo)通時(shí)間為55ns，確保轉(zhuǎn)換器可以在2.1MHz 開(kāi)關(guān)頻率下工作，并直接從24 V輸入至5 V輸出。高開(kāi)關(guān)頻率使您能夠使用超小型電感器和輸出電容器，而內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償和固定5V/3.3V 輸出選項(xiàng)減少了外部組件總數(shù)。可以進(jìn)一步優(yōu)化總解決方案的大小，如圖 3 所示。

圖3：LMR36506 示例解決方案尺寸

3.降低EMI，提高標(biāo)準(zhǔn)

所有開(kāi)關(guān)電源都會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，因?yàn)樗鼈兪褂每焖偕仙拖陆禃r(shí)間來(lái)切換輸入電壓。EMI 濾波器和金屬屏蔽可以幫助解決 EMI 問(wèn)題，如圖 4 所示。但是，多級(jí) EMI 濾波器可能會(huì)降低應(yīng)用的效率，同時(shí)增加解決方案的尺寸和設(shè)計(jì)成本。為了解決這種降低的效率，請(qǐng)使用旨在提供較低 EMI 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

圖4：DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 EMI 濾波器結(jié)構(gòu)

LMR36502和LMR36506被設(shè)計(jì)成具有倒裝芯片上引線（FCOL）技術(shù)，它消除功率器件引線鍵合，可能導(dǎo)致更高的封裝寄生電感。如圖 5 所示，將 IC 倒置，并將 IC 上的銅柱直接焊接到帶圖案的引線框架上。由于每個(gè)引腳直接連接到引線框架，這種重新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了小型解決方案尺寸和薄型。此外，與傳統(tǒng)引線鍵合封裝相比，倒裝芯片封裝降低了封裝寄生電感，從而大大降低了開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間的振鈴和噪聲產(chǎn)生。

圖5：引線鍵合四方扁平無(wú)引線和 FCOL 封裝

4.結(jié)論

隨著現(xiàn)場(chǎng)傳感器外殼變得越來(lái)越小，PCB 尺寸的限制對(duì)于電路板設(shè)計(jì)人員為傳感器供電來(lái)說(shuō)變得越來(lái)越困難。在這種情況下，LMR36502和LMR36506是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的一個(gè)選擇。