德州儀器LMZM23601：空間受限應用的理想DC/DC解決方案

在工業電子設計領域，空間受限的應用場景日益增多，這對電源模塊的性能、集成度和設計便利性都提出了更高的要求。德州儀器（TI）的LMZM23601 DC/DC電源模塊，為解決這類問題提供了一個出色的方案。下面，我們就來深入了解一下這款產品。

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一、產品亮點

1. 寬輸入電壓范圍與多輸出選擇

LMZM23601具備4V至36V的寬輸入電壓范圍，能適應多種不同的電源環境。其輸出電壓不僅有3.3V和5V的固定選項，還支持1.2V至15V的可調范圍，這為設計人員提供了極大的靈活性，能滿足各種不同負載的電壓需求。

2. 小尺寸與高集成度

這款模塊采用了3.8mm × 3mm的微型封裝，解決方案尺寸僅為27平方毫米的單面布局。如此小的尺寸，非常適合空間受限的應用。同時，它內部集成了電感，在5V或3.3V輸出設計中，僅需輸入和輸出電容這兩個外部元件，大大簡化了設計過程，減少了電路板的占用空間。

3. 低功耗設計

在輕負載和無負載情況下，LMZM23601的功耗表現出色。無負載時的電源電流僅為28μA，關機電流更是低至2μA，能有效降低系統的整體功耗，延長電池供電設備的續航時間。

4. 豐富功能特性

它具備電源良好標志（Power-good flag），可實時指示系統狀態；支持外部頻率同步，方便與其他設備協同工作；還有MODE選擇引腳，可在強制PWM模式和自動PFM模式之間切換，以滿足不同應用場景對效率和頻率穩定性的要求。此外，內置的控制環路補償、軟啟動、電流限制和欠壓鎖定（UVLO）等功能，增強了系統的穩定性和可靠性。

二、應用領域

1. 傳感器變送器

傳感器變送器通常需要穩定的低電壓電源，LMZM23601的寬輸入電壓范圍和高精度輸出，能為傳感器提供可靠的電力支持，確保其準確地采集和傳輸數據。

2. 測試與測量設備

在測試與測量設備中，對電源的穩定性和精度要求極高。LMZM23601的高性能特性，能滿足這類設備對電源的嚴格要求，保證測試和測量結果的準確性。

3. 電網基礎設施

電網基礎設施中的一些設備，如智能電表、通信模塊等，對電源的體積和可靠性有較高要求。LMZM23601的小尺寸和高可靠性，使其成為這些設備的理想電源選擇。

4. 空間受限應用

對于如工業物聯網設備、便攜式儀器等空間受限的應用，LMZM23601的微型封裝和簡單的外圍電路設計，能輕松滿足其對空間的苛刻要求。

三、技術細節剖析

1. 控制方案

LMZM23601采用峰值電流模式控制架構，能在寬輸入電壓范圍內保持恒定的開關頻率和良好的輸入輸出瞬態響應。可調輸出電壓選項在1000kHz的開關頻率下工作，固定5V和3.3V輸出選項則在750kHz的標稱開關頻率下工作。在低輸入電壓時，還會采用頻率折返技術，以降低壓差電壓，確保輸出電壓的穩定調節。

2. 軟啟動功能

該模塊具有內部編程的軟啟動時間，約為4ms，通過對內部參考電壓進行斜坡調整來實現。即使在模塊啟動前輸出端已有電壓，它也能正常啟動，避免了電壓沖擊對負載的影響。

3. 使能和外部UVLO功能

LMZM23601的使能（EN）輸入端子具有兩個內部閾值，可用于精確控制模塊的啟動和關閉。通過從VIN到EN連接一個分壓器，還能設置輸入電壓鎖定（UVLO）功能，以滿足特定應用對輸入電壓的要求。在關機模式下，當輸入電壓為12V時，模塊僅消耗1.8μA的輸入電流，極大地降低了待機功耗。

4. 電流限制與打嗝模式

模塊內部設有兩個電流限制，粗調的高端或峰值電流限制用于保護電路免受故障影響，精確的逐周期谷值電流限制則可防止輸出平均電流過大。當輸出短路時，打嗝模式會被激活，模塊會關閉兩個功率MOSFET并等待約8ms的打嗝間隔，然后重新啟動，以防止持續短路導致過熱和功耗過大。

5. 電源良好（PGOOD）功能

PGOOD引腳提供了一個內置的電源良好信號，可指示輸出電壓是否在調節范圍內。該引腳為開漏輸出，需要連接一個上拉電阻到15V或更低的標稱電壓源。TI建議上拉電阻值在10kΩ至100kΩ之間。

6. MODE/SYNC功能

• 強制PWM模式：當對恒定頻率操作的要求高于輕負載效率時，將MODE/SYNC輸入拉高或提供有效的同步輸入，可激活強制PWM模式。在此模式下，開關頻率在整個負載電流范圍內保持恒定，二極管仿真功能關閉，適用于對頻率穩定性要求較高的應用。
• 自動PFM模式：當MODE/SYNC端子保持低電平時，模塊在輕負載時會自動切換到PFM模式，并采用二極管仿真技術，以降低電感電流的均方根值和開關頻率，從而提高輕負載時的轉換效率。
• 壓差模式：當輸入電壓接近輸出電壓時，模塊會進入壓差模式，此時通過頻率折返技術延長開關周期，以保持輸出電壓的穩定調節，適用于電池供電等輸入電壓變化較大的應用。
• 同步操作：MODE/SYNC輸入允許模塊與外部時鐘同步，可實現多個調節器的同步開關，從而改善電磁干擾（EMI）特性，減少部分電源軌上的電容需求。

7. 熱保護功能

LMZM23601會監測其結溫（TJ），當溫度過高（典型值為155°C）時，會關閉高端和低端功率MOSFET，直到結溫下降到低于滯后水平（典型值為15°C），從而保護模塊不受過熱損壞。

四、設計應用指南

1. 設計流程

• 確定設計參數：根據應用需求，確定輸入電壓范圍、輸出電壓和輸出電流范圍。例如，若設計一個5V、1A的輸出轉換器，輸入電壓范圍可選擇8V至36V。
• 選擇合適的輸出類型：如果輸出電壓為3.3V或5V，可選擇固定輸出電壓選項；若需要在1.2V至15V之間調節輸出電壓，則選擇可調輸出電壓版本。
• 使用WEBENCH工具進行定制設計：通過WEBENCH Power Designer，輸入設計要求，優化設計參數，如效率、尺寸和成本等。該工具還能提供定制化的原理圖、物料清單以及實時的價格和組件可用性信息，并支持電氣和熱仿真、導出CAD格式文件等功能。

2. 元件選擇

• 輸入電容：輸入電容的選擇和布局對降壓轉換器的性能至關重要。建議使用高質量的10μF、1210（3225）封裝、X5R或X7R陶瓷電容，并確保其電壓額定值足夠。對于輸入電壓為24V的應用，推薦使用額定電壓≥50V的電容；對于12V輸入的應用，額定電壓≥25V的電容即可。同時，要將輸入電容盡可能靠近LMZM23601放置，以減小開關電流路徑的電感。
• 輸出電容：輸出電容應選擇低ESR的陶瓷電容，以確保模塊的穩定運行。不同輸出電壓對最小輸出電容有不同要求，例如，5V輸出時，推薦使用22μF的電容。同時，要注意最大輸出電容值，避免在啟動時產生過大的浪涌電流，影響模塊的正常工作。
• 反饋電壓分壓器（可調輸出版本）：對于可調輸出電壓版本，需要使用兩個外部電阻組成反饋電壓分壓器來設置輸出電壓。輸出電壓(V{OUT})與參考電壓(V{REF})及兩個電阻(R{FBT})和(R{FBB})的關系為(V{OUT}=V{REF}×frac{R{FBB}+R{FBT}}{R{FBB}})。當(V{OUT}<3.0V)時，建議在輸出端提供20μA的靜態負載電流，可通過限制反饋分壓器的最大電阻來實現。
• PGOOD上拉電阻：若應用需要電源良好標志，可從PGOOD端子連接一個100kΩ的上拉電阻到外部電壓軌；若不需要該功能，可將PGOOD端子懸空。
• VIN分壓器和使能：若應用需要自定義輸入UVLO電平高于內部UVLO，可從VIN到EN連接一個分壓器來設置開啟閾值。

3. 布局注意事項

• 最小化開關電流路徑的電感：將輸入電容盡可能靠近LMZM23601放置，使開關電流路徑的面積最小，以降低高頻噪聲對輸出電壓的影響。
• 保護敏感節點：對于可調輸出版本，要將反饋分壓器盡可能靠近模塊放置，減小反饋節點的尺寸，避免反饋線路拾取附近電路的噪聲。
• 提供足夠的散熱銅面積：在模塊下方放置狗骨形狀的接地銅層，并使用熱過孔將熱量傳導到其他電路板層。建議在頂層和底層設置連續的接地平面或大面積銅層，以提高散熱效果。通過參考第6.7節中的封裝熱阻曲線和功率耗散曲線，可估算出所需的銅面積。

五、總結

德州儀器的LMZM23601 DC/DC電源模塊憑借其寬輸入電壓范圍、小尺寸、低功耗、豐富的功能特性和簡單的設計要求，成為了空間受限工業應用的理想選擇。無論是在傳感器變送器、測試與測量設備，還是電網基礎設施和便攜式儀器等領域，它都能提供穩定可靠的電源解決方案。在使用過程中，設計人員只要遵循本文介紹的設計指南和注意事項，就能充分發揮該模塊的優勢，打造出高性能的電子產品。你在實際設計中是否遇到過類似的電源模塊選型和設計問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。