为微型工业自动化设备选择降压转换器和 LDO需要考虑的因素

1.前言

随着工厂自动化和控制设备市场的发展，带有传感器的设备（如现场发射器、机器视觉和位置传感器）的出货量正在增加。因此，对可为这些设备供电的功能丰富的电源集成电路(IC) 的需求也在不断增长。

图1 显示了温度变送器的框图。非隔离式电源子系统（以红色突出显示）由低压差稳压器 (LDO)、DC/DC 转换器或电源模块组成。在本文中，我将介绍如何将降压转换器和 LDO 用于同一目的选择。

图1：温度变送器子系统

2.高输入电压，热效应非常明显

在工厂自动化和控制设备中有多种调节输入直流电压的方法。我们可以使用LDO、DC/DC 转换器或电源模块。TPS7A47等LDO因其简单的设计以及衰减输入噪声和提供无纹波输出电压的能力而常用于传感器电源。DC/DC 转换器是在较低输出电压、较高输入电压或较高输出电流下运行的应用的理想选择。例如，LMR36502和LMR36506 DC/DC 转换器支持 1 µA 的低停机电流规格和 7 µA 的工作静态电流规格。 对于具有低输出电流（小于 20 mA）的负载，这些性能规格可确保 4 至 20 mA 回路应用的更高效率。图 2 显示了LMR36506转换器的效率和热性能。

图2：24 V输入、5 V输出、2.1 MHz 和 0.6A 时的效率和热性能

大挑战，小解决方案

大多数现场传感器都很小，这限制了印刷电路板(PCB) 的尺寸。例如，带有 M12 外壳的超声波传感器需要小于 9 毫米的 PCB 宽度。在子系统中的小型 PCB 上集成电源组件（如图 1 所示）对硬件设计人员来说非常具有挑战性。

带有集成电感器的电源模块（例如TPSM265R1)可以解决这一挑战，因为DC/DC 转换器要求我们使用额外的组件（例如电感器）来保持高频。但是，如果您更喜欢使用 DC/DC 转换器，则可以通过选择在更高频率下运行的转换器来减小整体解决方案的尺寸，从而减小电感器和电容器的尺寸，或者选择具有集成外部组件的器件。

例如，LMR36502和LMR36506 采用 2mm x 2mm 封装，最小可控导通时间为55ns，确保转换器可以在2.1MHz 开关频率下工作，并直接从24 V输入至5 V输出。高开关频率使您能够使用超小型电感器和输出电容器，而内部环路补偿和固定5V/3.3V 输出选项减少了外部组件总数。可以进一步优化总解决方案的大小，如图 3 所示。

图3：LMR36506 示例解决方案尺寸

3.降低EMI，提高标准

所有开关电源都会产生电磁干扰(EMI)，因为它们使用快速上升和下降时间来切换输入电压。EMI 滤波器和金属屏蔽可以帮助解决 EMI 问题，如图 4 所示。但是，多级 EMI 滤波器可能会降低应用的效率，同时增加解决方案的尺寸和设计成本。为了解决这种降低的效率，请使用旨在提供较低 EMI 的 DC/DC 转换器。

图4：DC/DC 转换器的 EMI 滤波器结构

LMR36502和LMR36506被设计成具有倒装芯片上引线（FCOL）技术，它消除功率器件引线键合，可能导致更高的封装寄生电感。如图 5 所示，将 IC 倒置，并将 IC 上的铜柱直接焊接到带图案的引线框架上。由于每个引脚直接连接到引线框架，这种重新设计的结构实现了小型解决方案尺寸和薄型。此外，与传统引线键合封装相比，倒装芯片封装降低了封装寄生电感，从而大大降低了开关转换期间的振铃和噪声产生。

图5：引线键合四方扁平无引线和 FCOL 封装

4.结论

随着现场传感器外壳变得越来越小，PCB 尺寸的限制对于电路板设计人员为传感器供电来说变得越来越困难。在这种情况下，LMR36502和LMR36506是应对这一挑战的一个选择。