使用DC/DC电源模块增强电网保护,控制和监控设备的DAQ性能

作者:Kallikuppa Sreenivasa, Akshay Mehta

在之前关于提高数据采集(DAQ)性能以实现电网保护、控制和监测设备的博文中,我阐述了连接多个模数转换器(ADCs)的必要性,以及如何使用单个Sitara™处理器中的可编程实时单元和工业通信子系统(PRU-ICSS)使用多个高性能、可同步的sigma-delta ADCs来提高DAQ性能和测量精度。

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在此篇博文中,我和我的同事Akshay将阐述如何通过使用电源模块来产生多个供电电压的方式来增强DAQ性能,包括5-V、3.3-V、2.5-V和 1.8-V电源导轨。

图1显示了一个带有通常配置子系统的DAQ,以及其中发现/使用的设备或集成电路(IC)。每个子系统都有不同的电压水平和负载电流要求。DAQ的电源架构由多个DC/DC转换器、低压差稳定器(LDO)、用于生成和监控各种电源导轨的双数据速率终端稳压器、定序器和监控器以及一个防止输入过载的eFuse。

1:包括电源架构在内的DAQ子系统

DAQ电源架构设计方法

选择合适的电源架构取决于DAQ性能要求,包括效率、印刷电路板(PCB)空间、严格的输出调节、负载瞬态响应和成本。您可以使用各种DC/DC转换器和LDO的组合从背板电压中获得所需的电源导轨。

分立电源实现需要电源设计专业知识。分立电源实现需使用一个外部电感器、开关和其他外部组件。DC/DC转换器会占用更多板空间、效率低且热性能差。由于缺乏防止误用的保护(输出过载、输入电压过高),以及组件故障导致的寿命缩短,分立电源也容易发生故障。实现DAQ电源架构的另一种方法是使用集成电源模块。

使用TI电源模块的优势

DC/DC降压性电源模块将同步开关稳压器、电感器、场效应晶体管(FETs)、补偿和其他无源组件集成到单一封装中。通过仔细选择包括电感器在内的板载组件,电源模块在宽电压输入和温度范围内的性能变化最小。在电源模块内集成组件简化了设计流程,最大限度地减少了占地面积,提高了可靠性,且缩短了设计/鉴定过程,从而加快了产品上市速度。

电源模块因具有充分表征的电气/热性能而变得越来越流行。它们可以在大范围的开关频率内运行,从而可以使用更小的组件,而且组件占地面积<15 mm2,高度<2.0 mm。非隔离电源模块结构紧凑、效率高,还可提供高负载电流。

电源模块对DAQ性能的影响

使用电源模块具有多种优势,但对DAQ性能影响最大的两个因素是电磁干扰(EMI)降低和降低的输出纹波。为了达到EMI要求和输出纹波性能,电源设计师通常会进行多块板的修改。封装选择和布局优化是减轻EMI和确保输出纹波较低的其他重要考虑因素。

EMI

依照国际无线电干扰特别委员会(CISPR)11或CISPR 22,满足EMI要求且留有足够裕度,对于任何终端设备的认证都很重要。为了减轻EMI,电源模块采用了各种技术来优化关键回路面积,从而产生较小的电流变化率(di/dt)回路面积。使用屏蔽式电感器进一步降低EMI。

图2显示了具有3-A负载的TI LMZM33603电源模块的辐射发射图。该模块的辐射发射低于CISPR的等级A和等级B,因此在认证时很容易满足测试要求。

2LMZM33603的辐射发射(5V输出,3A负载)

为了解电源模块如何优化关键回路面积,让我们来探究一下组件布局和封装选择。

降压变换器在输入端产生具有高di/dt的脉动纹波电流。在没有输入电容器的情况下,纹波电流由上部电源供给,而循环纹波电流会导致传导和辐射EMI的增加。

同步开关DC/DC稳压器在封装内集成了两个FET,这使得更容易优化关键路径的面积。因集成了两个FET,所以只有输入电容器CIN需要进行合理的放置。输入电容器最大限度地减少了输入电压纹波,抑制了输入电压尖峰,且为设备提供了稳定的系统轨道,从而确保了更低的EMI。CIN放置的简易取决于封装技术和引脚分配。务必使VIN和PGND引脚彼此靠近。在TI的电源模块中,我们建议将电容器CIN放置在离VIN和PGND最近的位置,以最大限度地减少关键路径的面积,如图3所示。一个小型、低值的电容器Ci被放置在TI的电源模块内部。除了CIN电容器选择和优化关键路径布局之外,以下讨论的电源模块消息的选择也有助于提高性能。

  • 四面扁平无管脚(QFN)封装无外部管脚。管脚长度的不足使得CIN的放置位置更靠近VIN和PGND管脚,从而进一步减少了关键路径的面积。QFN IC封装内部通过细铜线或金线使得芯片焊盘与管脚外合,增加了寄生电感。
  • 为了进一步减小关键路径的面积,我们的HotRod™技术完全取代了接合线。翻转芯片,使其有源侧朝下,将铜凸块沉积在芯片焊盘上并直接焊接到引线框架上。使用铜凸块代替接合线可以降低串联电阻,进一步缩小封装尺寸,并使得CIN更接近VIN和PGND引脚。图3显示了QFN和HotRod™封装。

图3:A.QFN封装电容器放置,B.QFN引线键合和 C. HotRod™封装

输出纹波

同步降压DC/DC转换器的输出级在满足目标纹波电流、输出纹波电压和输出电压过冲等要求方面起着重要作用。电源模块的输出纹波取决于组件选择、布局和负载。在我们的电源模块中,选择具有低杂散电容和布局优化(紧密布局)的电感器,可以确保开关管脚的最小纹波耦合到输出管脚VOUT,从而减少DC电压输出上的纹波。图4显示了电源模块的纹波(小于5-mV),这使得可以在不改变性能的情况下连接到敏感的模拟电路。

 图4:电源模块输出纹波

结论

TI的电源模块具有可简化系统设计的多种优势,包括:

  • 最小的外部组件。
  • 小尺和高功率密度。
  • 更低的辐射EMI。
  • 更低的操作温度。
  • 更高的效率和输出精度。
  • 更快的负载瞬态响应。
  • 低输出纹波。
  • 提高的负载和输入调节。

使用内部电感器可以减少磁选工作,并通过屏蔽辐射来提高性能。此外,电源模块包含广泛、成熟的保护机制,并且需要进行更严格的测试(测试次数比起典型的最终用户计划和测试的内容要多)。虽然这篇博文只关注了与提高DAQ性能相关的优势,但在另一篇博文中,Akshay将介绍使用电源模块的其他优势。

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