使用 DCDC 电源模块增强电网保护、控制和监测设备的 DAQ 性能

DAQ:数据采集系统。如何保证DAQ的数据采集稳定可靠，是大家探讨的一个问题。

图 1 显示了带有常用配置子系统的 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电平和负载电流要求。DAQ 的电源架构包括多个 DC/DC 转换器、低压降稳压器 (LDO)、双倍数据速率终端稳压器、定序器和监视器以生成和监控各种电源轨，以及一个用于防止输入过载情况的电子保险丝.

图 1：DAQ 子系统，包括电源架构

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、印刷电路板空间、严格的输出调节、负载瞬态响应和成本。您可以使用 DC/DC 转换器和 LDO 的各种组合从背板电压中获得所需的电源轨。

分立电源实施需要电源设计专业知识。分立电源实施使用外部电感器、开关和其他外部组件。DC/DC 转换器会占用更多的电路板空间，效率和热性能较差。由于缺乏防止误用（输出过载、输入电压过高）以及因组件故障而缩短使用寿命的保护措施，分立式电源也容易出现故障。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 降压型电源模块将同步开关稳压器、电感器、场效应晶体管 (FET)、补偿和其他无源元件集成到单个封装中。通过仔细选择包括电感器在内的板载组件，电源模块在很宽的电压输入和温度范围内以最小的变化运行。将组件集成到电源模块中可简化设计流程、最大限度地减少占用空间、提高可靠性并缩短设计/认证流程，从而加快产品上市速度。

电源模块因其完全表征的电气/热性能而变得越来越流行。它们可以在很宽的开关频率范围内工作，从而能够使用更小的组件，并且组件占位面积小于 15 mm 2  ，高度小于 2.0 mm。非隔离电源模块结构紧凑，效率高，可提供高负载电流。

电源模块对 DAQ 性能的影响

使用电源模块有多种好处，但对 DAQ 性能影响最大的两个是较低的电磁干扰 (EMI) 和减少的输出纹波。电源设计人员通常要经过多次电路板修订才能达到 EMI 要求和输出纹波性能。封装选择和布局优化是减轻 EMI 和确保较低输出纹波的其他重要考虑因素。

EMI

根据 Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 11 或 CISPR 22 以足够的余量满足 EMI 要求对于任何终端设备的认证都很重要。为了减轻 EMI，电源模块采用各种技术来优化关键环路面积，从而创建更小的电流变化率 (di/dt) 环路面积。使用屏蔽电感可进一步降低 EMI。

图 2 显示了具有 3A 负载的 TI LMZM33603 电源模块的辐射发射图，低于 CISPR A 类和 B 类水平，可轻松满足认证期间的测试要求。

图 2：LMZM33603 的辐射发射（5 V 输出，3 A 负载）

要了解电源模块如何优化关键环路区域，让我们来看看元件布局和封装选择。

降压转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提供，循环纹波电流会导致传导和辐射 EMI 增加。

同步开关 DC/DC 稳压器在封装内集成了两个 FET，这使得优化关键路径的面积变得更加容易。集成两个 FET 后，只有输入电容器 CIN 需要正确放置。输入电容器可最大限度地降低输入电压纹波、抑制输入电压尖峰并为设备提供稳定的系统电源轨，从而确保较低的 EMI。CIN 放置的难易程度取决于封装技术和引脚排列。使 VIN 和 PGND 引脚彼此靠近很重要。在 TI 电源模块中，我们建议将电容器 CIN 放置在最靠近 VIN 和 PGND 的位置，如图 3 所示，以最小化关键路径的面积。TI 电源模块内部放置了一个小型、低值电容器 Ci。除了 CIN 电容选择和优化关键路径布局，

· 四方扁平无引线 (QFN) 封装没有外部引线。由于没有引线长度，因此可以将 CIN 放置在更靠近 VIN 和 PGND 引脚的位置，从而进一步减小关键路径的面积。QFN IC 封装内部的芯片焊盘通过细铜线或金线连接到引脚，这会增加寄生电感。

· 为了进一步减少关键路径的面积，我们的 HotRod™ 技术完全消除了键合线。芯片被翻转，使其有源面朝下，铜凸点沉积在芯片焊盘上并直接焊接到引线框架上。使用铜凸点代替键合线可降低串联电阻，进一步缩小封装尺寸并使 CIN 更靠近 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要求方面起着重要作用。电源模块的输出纹波取决于元件选择、布局和负载。在我们的电源模块中，选择具有低杂散电容的电感器并结合优化布局（紧密布局）可确保来自开关引脚的最小纹波耦合到输出引脚 VOUT，从而减少直流电压输出上的纹波。图 4 显示了电源模块的纹波，纹波 <5 mV，可连接到敏感的模拟电路而不会产生性能变化。

图 4：电源模块输出纹波

结论

TI 的电源模块具有多种优势，可简化系统设计，包括：

· 最少的外部组件。

· 体积小，功率密度高。

· 较低的辐射 EMI。

· 较低的工作温度。

· 更高的效率和输出精度。

· 更快的负载瞬态响应。

· 低输出纹波。

· 改进了负载和输入调节。

使用内部电感器可以减少磁性选择工作，并通过屏蔽辐射来提高性能。此外，电源模块包含广泛的、深思熟虑的保护机制，并接受更严格的测试（比典型的最终用户计划和测试的测试更多）。