德州儀器LMZM23600：小身材大能量的DC/DC電源模塊

在當今電子設備小型化、集成化的趨勢下，對于電源模塊的要求也越來越高。德州儀器（TI）的LMZM23600就是一款專為空間受限的工業(yè)應用設計的高性能DC/DC電源模塊，它以其緊湊的尺寸、豐富的功能和出色的性能，為工程師們提供了一個優(yōu)秀的電源解決方案。

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一、產品概述

LMZM23600是一款輸入電壓范圍為4V至36V的寬輸入電壓、低靜態(tài)電流的高性能DC/DC模塊。它有兩種固定輸出電壓選項（5V和3.3V）以及一個可調輸出電壓選項（1.2V至15V），最大輸出電流可達0.5A。該模塊采用了高度集成和創(chuàng)新的封裝技術，僅需輸入和輸出電容，就能在27mm2的電路板空間內設計出5V或3.3V、0.5A的DC/DC轉換器，非常適合對空間要求苛刻的應用場景。

二、產品特性

1. 寬輸入電壓范圍

4V至36V的寬輸入電壓范圍，使其能夠適應多種工業(yè)電源，如常見的5V、12V或24V電源軌，為不同的應用提供了靈活性。

2. 多種輸出電壓選項

提供固定的5V和3.3V輸出電壓選項，以及1.2V至15V的可調輸出電壓選項，滿足了不同負載的電壓需求。對于固定輸出電壓選項，設計非常簡單，只需添加輸入和輸出電容即可；而可調輸出電壓版本則允許用戶通過添加兩個反饋電阻來設置輸出電壓。

3. 低功耗

在無負載時，電源電流僅為28μA，關機電流低至2μA，有效降低了系統(tǒng)的功耗，提高了能源效率。

4. 豐富的功能特性

• 電源良好標志（Power-Good Flag）：提供一個開漏輸出的電源良好信號，指示輸出電壓是否在調節(jié)范圍內，無需額外的監(jiān)控組件，節(jié)省了成本和電路板空間。
• 外部頻率同步：允許將模塊的開關頻率同步到外部時鐘，有助于減少電磁干擾（EMI），并優(yōu)化系統(tǒng)性能。
• 模式選擇引腳：支持強制PWM模式和自動PFM模式。強制PWM模式適用于需要恒定開關頻率的應用；自動PFM模式則在輕負載時提供更高的效率。
• 內置控制環(huán)路補償、軟啟動、電流限制和欠壓鎖定（UVLO）：這些功能確保了模塊的穩(wěn)定性和可靠性，保護電路免受異常情況的影響。

5. 緊湊的封裝

采用3.8mm × 3mm × 1.6mm的微型封裝，節(jié)省了電路板空間，適合空間受限的應用。

三、應用領域

LMZM23600的應用領域廣泛，包括傳感器變送器、測試與測量設備、電網基礎設施以及對空間有嚴格要求的應用等。在這些應用中，它能夠高效地將高直流輸入電壓轉換為較低的直流輸出電壓，為負載提供穩(wěn)定的電源。

四、技術細節(jié)

1. 控制方案

LMZM23600采用峰值電流模式控制架構，能夠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(tài)響應。可調輸出電壓選項的開關頻率為1000kHz，固定5V和3.3V輸出選項的標稱開關頻率為750kHz。在低輸入電壓時，模塊會采用頻率折返技術，以實現(xiàn)低壓降電壓，確保輸出電壓的穩(wěn)定調節(jié)。

2. 軟啟動功能

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上升來實現(xiàn)。即使在模塊激活之前輸出端存在電壓，它也能正常啟動，確保輸出電壓從預偏置值平穩(wěn)上升到最終輸出電壓。

3. 使能和外部UVLO功能

LMZM23600具有精確的使能（EN）輸入端子，通過設置外部UVLO功能，可以防止轉換器在輸入電壓達到所需的最低水平之前嘗試調節(jié)輸出電壓，從而降低輸入電源的電流需求。

4. 電流限制

模塊內部有兩個電流限制：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防止輸出電流過大。在輸出短路時，模塊會進入打嗝模式，避免過度發(fā)熱和功耗。

5. 功率良好（PGOOD）功能

PGOOD端子提供一個開漏輸出的電源良好信號，指示輸出電壓是否在調節(jié)范圍內。該信號需要一個上拉電阻連接到15V或更低的標稱電壓源，絕對最大PGOOD灌電流為8mA。

6. MODE/SYNC功能

• 強制PWM模式：當MODE/SYNC輸入拉高或提供有效的同步輸入時，模塊進入強制PWM模式，確保開關頻率在整個負載電流范圍內保持恒定。
• 自動PFM模式：當MODE/SYNC端子拉低時，模塊在輕負載時自動進入PFM模式，通過二極管仿真降低電感電流的均方根值和開關頻率，提高輕負載時的轉換效率。
• 壓降模式：當輸入電壓接近輸出電壓時，模塊采用頻率折返技術，延長開關周期，增加調節(jié)器的最大占空比，確保輸出電壓在輸入電壓變化較大時仍能得到良好的調節(jié)。
• 同步操作：MODE/SYNC輸入允許模塊同步到外部時鐘，實現(xiàn)多個調節(jié)器的同步開關，減少EMI并優(yōu)化系統(tǒng)性能。

7. 熱保護

模塊會監(jiān)測其結溫（TJ），當溫度過高時會自動關閉。熱關斷閾值通常為155°C，當結溫下降到低于滯后水平（通常比關斷溫度低15°C）時，模塊會重新啟動。

五、設計與應用

1. 設計步驟

• 使用WEBENCH? Power Designer進行定制設計：通過輸入電壓、輸出電壓和輸出電流要求，優(yōu)化設計參數(shù)，如效率、占地面積和成本，并比較不同的設計方案。
• 輸入電容選擇：選擇高質量的陶瓷電容，如10μF、1210（3225）尺寸、X5R或X7R電容，并將其盡可能靠近模塊放置，以減少輸入電壓紋波和開關電流路徑的電感。
• 輸出電容選擇：推薦使用低ESR的陶瓷電容，根據(jù)輸出電壓設置選擇合適的電容值，確保模塊的穩(wěn)定運行。
• 反饋電壓分壓器（可調輸出電壓版本）：對于可調輸出電壓版本，通過兩個外部電阻形成反饋電壓分壓器來設置輸出電壓。
• PGOOD上拉電阻：如果應用需要電源良好標志，使用100kΩ的上拉電阻連接PGOOD端子到外部電壓軌。
• VIN分壓器和使能：如果需要自定義輸入UVLO水平，可以使用電壓分壓器連接VIN到EN端子來設置開啟閾值。

2. 布局指南

• 最小化開關電流路徑的電感：將輸入電容盡可能靠近模塊放置，確保開關電流路徑的面積最小，降低電感和高頻噪聲。
• 保護敏感節(jié)點：將反饋分壓器盡可能靠近模塊放置，減少反饋節(jié)點的面積，避免噪聲干擾。
• 提供足夠的銅面積用于散熱：在模塊下方放置接地銅層，并使用熱過孔將熱量傳導到其他電路板層，確保模塊的散熱性能。

六、總結

LMZM23600是一款功能強大、性能出色的DC/DC電源模塊，它以其緊湊的尺寸、豐富的功能和低功耗特性，為空間受限的工業(yè)應用提供了一個理想的電源解決方案。通過合理的設計和布局，工程師們可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設計。你在使用類似電源模塊時遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。