基于LMZ20501微型模组的开关电源电路设计
发布时间:2020-02-14
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基于LMZ20501微型模组的开关电源电路设计
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我必须承认一点:尽管开关稳压器已步入聚光灯下,但就个人而言,低压差稳压器 (LDO) 仍是我心目中的“白月光”(或许脑海中亦是如此)。原因之一是 LDO 只专注于一件事情,性能出色且操作简单,既不让人头痛,也没什么意外。而且我最先接触的功率调节装置就是 LDO,而在我实际开始构建电路的时候,它的性能表现也相当不错。即使是现在,需要数伏电压、约 1 A 电流的电源轨时,我首先想到的仍是 LDO,这种只有三个端子的基础元器件,而不是开关稳压器。

LDO 的能效不如开关稳压器,这一点是众所周知的。但是在 1 A 左右的小电流情况下,两者的区别并不大,而且在特定设计中,影响亦不大。若电流不止数安,这种差距就会比较明显,此时 LDO 就不太适用了。不过,除非是需要超低噪声的电源轨,否则亦无需使用性能出色且噪声极低的开关稳压器。除此之外,虽然可以在几种类型的 LDO 之间并联低阻值的泄放电阻以平衡电流,但布局、封装、BOM 和量化性能等方面就会因此变得复杂。

尽管如此,LDO 依然是工程师 BOM 包中的重要组件。正因为操作简单,所以很多设计人员都像撒芝麻一样,把 LDO “撒”在印刷电路板上所有需要调节电压的地方,如 IC 和子电路的周围,以此最大限度地降低电源轨的 IR 压降,减少噪声拾取以及因电源与负载间距较远而产生的其他问题。

时代在变,好东西亦会变

不过,我估计应用 LDO 的基础设计导入或许很快就会退出历史的舞台。目前,在简易性、尺寸、无需外部电源(或仍需要)和总体设计导入的便利性方面,密封式小电流开关稳压器的属性都与 LDO 水平相当。如果在电路中对这些密封式开关稳压器和 LDO 进行“黑箱”测试,通常很难区分 1 安 LDO 和多安密封式开关稳压器。

此外,虽然 LDO 只能降压,但市面上却有降压、升压,甚至升/降压开关稳压器,后者能够在两种模式之间进行无缝转换。这一功能非常重要,许多电路都由单一的锂电池来驱动,因此需要升/降压模式来将电池从满电量状态调节到稍微放电的状态。

实用)示例展示

以 LTM8074 (LTM8074EY#PBF) 为例,这是 Analog Devices 推出的一款 Silent Switcher µModule 稳压器(图 1)。该稳压器具有宽输入电压范围(3.2 至 40 V)和宽输出电压范围(0.8 至 12 V);可连续输出 1.2 A 电流(24 V 输入电压和 5 V 输出电压的情况下);输出电压为 3.3 V 时,可以达到 1.75 A 的峰值输出电流。不过,真正吸引我的还是它的尺寸。作为一款 BGA 设备,该稳压器的尺寸仅为 4 mm × 4 mm × 1.82 mm(厚)。

只需两个电容器(1 µF 和 10 µF)和两个电阻器即可工作。与 LDO 一样,即插即用,但是封装更小而功率更大。谈及开关稳压器,自然就会联想到电感器。该开关稳压器封装内部嵌入电感器,因此对设计人员而言,电感器算不上 BOM 的一部分,也不会占用额外空间。此外,开关稳压器的 EMI 辐射也相当低,几乎与 LDO 相当(图 2)。

还有另一款类似于 LDO 的微型开关稳压器,即 Texas Instruments 的 LMZ10501 (LMZ10501SILR)。这款 1 A 微型模块的输入电压范围为 2.7 至 5.5 V,输出电压范围为 0.6 至 3.6 V(图 3)。

LMZ20501 只需三个陶瓷电容器和两个电阻器即可工作,电感器集成在 8 引脚 microSiP 封装内,尺寸仅为 3.00 mm × 2.60 mm(图 4)。有一点很明显:它看起来并不像标准通用 IC。

一直以来,LDO 在尺寸和易用性方面都拥有比较明显的优势,而这些微型开关稳压器的性能甚至可以与小电流 LDO 相媲美。例如,Maxim Integrated 的 MAXM15462 是一款高能效同步降压 DC-DC 模块,集成了控制器、MOSFET、补偿元件和电感器,并能够在宽输入电压范围内工作(图 5)。该模块的输入电压范围为 4.5 至 42 V,而可编程输出电压范围为 0.9 至 5 V,输出电流最高可达 300 mA。该模块采用 2.6 mm × 3 mm × 1.5 mm 的小尺寸 uSLIC™ 封装,只需三个电容器(两个 1 µF,一个 10 µF)和两个电阻器即可工作。

相比同等属性的 LDO,这些微型开关稳压器的优势不仅仅只是更小、更高效。根据所选设备的不同,它们还具有其他的优良特性(有时是非常必要的),例如软启动(以减少输入涌流)、电源良好引脚和可编程欠压锁定 (UVLO) 阈值等等。

放下过去,方能拥抱未来?

有时候我们不得不放弃曾经的偏爱,才能从科技进步中获取便利。我曾经见过工程师在新产品设计中使用了二十年前的运算放大器,这主要是因为他们更熟悉这种运放的特性,用起来更顺手。虽然就某种程度而言,这种策略算是明智,但也有可能会对最终设计造成阻碍,使之无法实现功能更多、花费更少或体积更小。

每年或许仍有无数人将 LDO 等电源稳压器应用于新的设计导入方案。然而,低功耗开关稳压器在增强性能、稳定运行、易于使用和提高能效方面拥有更多优势,而且以很小的封装实现了所有上述功能。尽管最初的冲动可能是将熟悉的 LDO 纳入 BOM,但如果完全不考虑开关稳压器的话,也可以算得上是专业失误。

你们先考虑着如何应用开关稳压器,我去检查一下车里的化油器。我觉得针阀该清洗了,浮子也需要调整了。

 

文章来源网络

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