【導讀】在之前關于提高數據采集（DAQ）性能以實現電網保護、控制和監測設備的博文中，我闡述了連接多個模數轉換器(ADCs)的必要性，以及如何使用單個Sitara™處理器中的可編程實時單元和工業通信子系統(PRU-ICSS)和使用多個高性能、可同步的sigma-delta ADCs來提高DAQ性能和測量精度。
在此篇博文中，我和我的同事Akshay將闡述如何通過使用電源模塊來產生多個供電電壓的方式來增強DAQ性能，包括5-V、3.3-V、2.5-V和 1.8-V電源導軌。
圖1顯示了一個帶有通常配置子系統的DAQ，以及其中發現/使用的設備或集成電路（IC）。每個子系統都有不同的電壓水平和負載電流要求。DAQ的電源架構由多個DC/DC轉換器、低壓差穩定器（LDO）、用于生成和監控各種電源導軌的雙數據速率終端穩壓器、定序器和監控器以及一個防止輸入過載的eFuse。
圖1：包括電源架構在內的DAQ子系統
DAQ電源架構設計方法
選擇合適的電源架構取決于DAQ性能要求，包括效率、印刷電路板（PCB）空間、嚴格的輸出調節、負載瞬態響應和成本。您可以使用各種DC/DC轉換器和LDO的組合從背板電壓中獲得所需的電源導軌。
分立電源實現需要電源設計專業知識。分立電源實現需使用一個外部電感器、開關和其他外部組件。DC/DC轉換器會占用更多板空間、效率低且熱性能差。由于缺乏防止誤用的保護（輸出過載、輸入電壓過高），以及組件故障導致的壽命縮短，分立電源也容易發生故障。實現DAQ電源架構的另一種方法是使用集成電源模塊。
使用TI電源模塊的優勢
DC/DC降壓性電源模塊將同步開關穩壓器、電感器、場效應晶體管(FETs)、補償和其他無源組件集成到單一封裝中。通過仔細選擇包括電感器在內的板載組件，電源模塊在寬電壓輸入和溫度范圍內的性能變化最小。在電源模塊內集成組件簡化了設計流程，最大限度地減少了占地面積，提高了可靠性，且縮短了設計/鑒定過程，從而加快了產品上市速度。
電源模塊因具有充分表征的電氣/熱性能而變得越來越流行。它們可以在大范圍的開關頻率內運行，從而可以使用更小的組件，而且組件占地面積<15 mm2，高度<2.0 mm。非隔離電源模塊結構緊湊、效率高，還可提供高負載電流。
電源模塊對DAQ性能的影響
使用電源模塊具有多種優勢，但對DAQ性能影響最大的兩個因素是電磁干擾（EMI）降低和降低的輸出紋波。為了達到EMI要求和輸出紋波性能，電源設計師通常會進行多塊板的修改。封裝選擇和布局優化是減輕EMI和確保輸出紋波較低的其他重要考慮因素。
EMI
依照國際無線電干擾特別委員會（CISPR）11或CISPR 22，滿足EMI要求且留有足夠裕度，對于任何終端設備的認證都很重要。為了減輕EMI，電源模塊采用了各種技術來優化關鍵回路面積，從而產生較小的電流變化率（di/dt）回路面積。使用屏蔽式電感器進一步降低EMI。
圖2顯示了具有3-A負載的TI LMZM33603電源模塊的輻射發射圖。該模塊的輻射發射低于CISPR的等級A和等級B，因此在認證時很容易滿足測試要求。
圖2：LMZM33603的輻射發射（5V輸出，3A負載）
為了解電源模塊如何優化關鍵回路面積，讓我們來探究一下組件布局和封裝選擇。
降壓變換器在輸入端產生具有高di/dt的脈動紋波電流。在沒有輸入電容器的情況下，紋波電流由上部電源供給，而循環紋波電流會導致傳導和輻射EMI的增加。
同步開關DC/DC穩壓器在封裝內集成了兩個FET，這使得更容易優化關鍵路徑的面積。因集成了兩個FET，所以只有輸入電容器CIN需要進行合理的放置。輸入電容器最大限度地減少了輸入電壓紋波，抑制了輸入電壓尖峰，且為設備提供了穩定的系統軌道，從而確保了更低的EMI。CIN放置的簡易取決于封裝技術和引腳分配。務必使VIN和PGND引腳彼此靠近。在TI的電源模塊中，我們建議將電容器CIN放置在離VIN和PGND最近的位置，以最大限度地減少關鍵路徑的面積，如圖3所示。一個小型、低值的電容器Ci被放置在TI的電源模塊內部。除了CIN電容器選擇和優化關鍵路徑布局之外，以下討論的電源模塊消息的選擇也有助于提高性能。
四面扁平無管腳（QFN）封裝無外部管腳。管腳長度的不足使得CIN的放置位置更靠近VIN和PGND管腳，從而進一步減少了關鍵路徑的面積。QFN IC封裝內部通過細銅線或金線使得芯片焊盤與管腳外合，增加了寄生電感。
為了進一步減小關鍵路徑的面積，我們的HotRod™技術完全取代了接合線。翻轉芯片，使其有源側朝下，將銅凸塊沉積在芯片焊盤上并直接焊接到引線框架上。使用銅凸塊代替接合線可以降低串聯電阻，進一步縮小封裝尺寸，并使得CIN更接近VIN和PGND引腳。圖3顯示了QFN和HotRod™封裝。
圖3：A.QFN封裝電容器放置，B.QFN引線鍵合和 C. HotRod™封裝
輸出紋波
同步降壓DC/DC轉換器的輸出級在滿足目標紋波電流、輸出紋波電壓和輸出電壓過沖等要求方面起著重要作用。電源模塊的輸出紋波取決于組件選擇、布局和負載。在我們的電源模塊中，選擇具有低雜散電容和布局優化（緊密布局）的電感器，可以確保開關管腳的最小紋波耦合到輸出管腳VOUT，從而減少DC電壓輸出上的紋波。圖4顯示了電源模塊的紋波（小于5-mV），這使得可以在不改變性能的情況下連接到敏感的模擬電路。
圖4：電源模塊輸出紋波
結論
TI的電源模塊具有可簡化系統設計的多種優勢，包括：
● 最小的外部組件。
● 小尺和高功率密度。
● 更低的輻射EMI。
● 更低的操作溫度。
● 更高的效率和輸出精度。
● 更快的負載瞬態響應。
● 低輸出紋波。
● 提高的負載和輸入調節。
使用內部電感器可以減少磁選工作，并通過屏蔽輻射來提高性能。此外，電源模塊包含廣泛、成熟的保護機制，并且需要進行更嚴格的測試（測試次數比起典型的最終用戶計劃和測試的內容要多）。雖然這篇博文只關注了與提高DAQ性能相關的優勢，但在另一篇博文中，Akshay將介紹使用電源模塊的其他優勢。
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