用於實驗室儀器的電源模組分析
2019-01-28
作者
Akshay Mehta，德州儀器(TI)電源模組工程師
工程師針對用於儀表系統的DC/DC轉換器具備特殊的需求，本文讓讀者瞭解這些不同的需求，以及電源模組如何滿足這些要求。
以PC為基礎的實驗室儀器平台能讓自動化實驗室設置和資料收集變得簡單且有效。工程師針對用於儀表系統(如周邊元件連接(PCI)的儀表擴展(PXIe)系統)的DC/DC轉換器具備特殊的需求，包括：低電磁干擾(EMI)、小尺寸解決方案、高效率、寬輸入電壓範圍，以及良好的線路和負載調節。本文讓讀者瞭解這些不同的需求，以及電源模組如何滿足這些需求。
低EMI
由於EMI會導致設備性能下降和潛在的故障，實驗室儀器對EMI有著極其嚴格的標準。因為固有的開關作用，以開關模式為基礎的DC/DC電源是影響EMI的主要原因。
圖1所示為降壓穩壓器的基本連接圖。在降壓穩壓器中，由電感L、輸出電容COUT和低側場效應電晶體(FET)QLS形成的迴路具有連續的電流。然而，由於FET的開關作用，在由高側開關FET QHS、低側開關QLS和輸入電容CIN產生的迴路中存在不連續的電流流動。
圖1 簡化的降壓穩壓器電路圖。
由連接走線包圍的區域決定了在此不連續電流的路徑中將存在多少寄生電感。公式1顯示，流經電感的開關電流會在其兩端產生電壓差。
因此，這種設置無意中會導致電壓尖峰和EMI，如圖2所示。
圖2 電壓尖峰與EMI產生。
雖然這不可避免，但讓輸入電容極其靠近兩個FET的簡單佈局亦有助於減小迴路面積，並減小寄生電感、降低電壓尖峰與EMI。
電源模組在此非常具備優勢，因為輸入電容通常整合在封裝內且極其靠近積體電路(IC)。類似的邏輯也適用於整合型電源模組中的自舉電容。
元件選擇
如圖1所示，除走線長度外，具有強寄生效應的不良元件會使情況惡化，由於它們處於脈衝電流的路徑中。開關節點的面積和電感的選擇直接影響EMI，開關節點太大，且無遮蔽電感具備強寄生電容將散發出大量雜訊。
如圖3所示，由於模組電源整合了很多被動元件，使得開關節點區域得到了很好的最佳化。
圖3 電源模組內部結構。
流經電感的電流會產生磁場，未經抑制的磁場將導致更差的EMI，無遮蔽電感對於該磁場沒有抑制方法。
電源模組通常整合了經高階應力測試的遮蔽電感，有助於抑制輻射雜訊，從而減少污染附近其他敏感電路的可能性。
較新的DC/DC穩壓器採用德州儀器(TI)的HotRod封裝技術。圖4比較了HotRod封裝技術和標準的線焊四方扁平無引線(QFN)封裝。
圖4 HotRod封裝技術。
這種封裝技術消除通常用於將晶片焊盤連至導線架的封裝接線，使用具有小焊接凸塊的銅柱。沒有封裝接線，寄生電感降低並進一步有助於減輕EMI。
頻率同步
EMI是降壓穩壓器開關作用的產物，這意味著開關頻率(FSW)對於保持低EMI非常重要。在多個降壓穩壓器為各種軌道供電的系統中，可能存在來自這些不同開關頻率相互之間的干擾作用的拍頻(beat frequency)，由於拍頻可在隨機頻率發生且其諧波也不可預測，因此在複雜的儀器系統中減輕EMI極具挑戰性。
為幫助解決此問題，TI LMZM33603和LMZM33606等電源模組配備了頻率同步輸入接腳，可使系統中的所有降壓穩壓器以一個公共頻率進行切換，此功能不僅有助於避免拍頻，還能將FSW諧波保持在已知頻率。後續要設計一個減輕EMI的輸入濾波器也會變得更加容易，圖5所示為使用LMZM33606電源模組的典型原理圖。
圖5 5V輸出的典型原理圖。
小型解決方案空間中的高效率需求
實驗台覆蓋(bench-top)的儀器設備使用較小的主機殼，可能導致空間受限的系統。這些主機殼可能小於3U，通常為半機架寬度，具備整合系統模組的PXIe主機殼的示例可只有五個插槽：三個混合，兩個PXIe。
在這種空間受限的環境中，電源模組成為實用的選擇，使用它們可大大減少空間限制並縮短產品上市時間。圖6中的電源樹(power tree)所示為可用於實驗台覆蓋的PXIe主機殼中背板電源的電源模組和離散穩壓器。
圖6 實驗台覆蓋的PXIe主機殼電源樹示例。
由於負載電流限制，電源模組可能無法為所有電壓軌供電。在需要更多電流功能的系統中，必須選擇其他設備。WEBENCH工具是瞭解更多有關其他裝置和獲取設計原理圖，以及諸如效率、物料清單(BOM)大小和BOM成本等重要參數的一個好方法。
表1比較TI電源模組和整合穩壓器。如表中所見，在設計中實現電源模組時可節省相當大的空間，操作效率在沒有任何可感知的變化時，得以節省空間。
表1 DC/DC穩壓器與電源模組的比較。
圖5中的模組原理圖非常簡單。具有如此低的BOM數目，所得到的設計將佔用極小的空間。圖7所示為電源模組在多個輸入電壓下的負載電流效率。
圖7 LMZM33606電源模組效率。
好的線路和負載調節
儀表系統的輸入電壓可能為18V36V之未經調壓的電壓。所有軌道的典型線路調節率可為0.10.2%。在各種控制架構中，峰值電流模式(PCM)架構是可實現這種嚴格要求的架構。如圖8所示，透過檢測通過高側FET的電流，PCM架構起作用，以產生比較斜坡。
圖8 PCM架構的簡化原理圖。
隨著輸入電壓不斷變化，首先要改變電流斜率。它作為系統的前饋，在輸入電壓變化時校正工作週期。因此，即時更新的工作週期有助於實現極佳的線路調節。TI電源模組基於PCM架構，極其適合此類系統。
圖9所示為電源模組的線路和負載調節。對於3A負載，線路穩壓率為0.02%；對於標稱24V輸入，負載調節率為0.1%。
*圖9 電源模組線路和負載調節。
除節省空間和最佳化性能外，電源模組還提供其他優勢。它們整合了高品質被動元件，可在高溫下進行大量測試，以確保長壽命和可靠度，它們的特性使電源模組對實驗室儀器設備更具吸引力。
