德州儀器LMZM23601：空間受限應(yīng)用的理想DC/DC解決方案

在工業(yè)電子設(shè)計領(lǐng)域，空間受限的應(yīng)用場景日益增多，這對電源模塊的性能、集成度和設(shè)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(chǎn)品。

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一、產(chǎn)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(yīng)多種不同的電源環(huán)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(diào)范圍，這為設(shè)計人員提供了極大的靈活性，能滿足各種不同負(fù)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(yīng)用。同時，它內(nèi)部集成了電感，在5V或3.3V輸出設(shè)計中，僅需輸入和輸出電容這兩個外部元件，大大簡化了設(shè)計過程，減少了電路板的占用空間。

3. 低功耗設(shè)計

在輕負(fù)載和無負(fù)載情況下，LMZM23601的功耗表現(xiàn)出色。無負(fù)載時的電源電流僅為28μA，關(guān)機(jī)電流更是低至2μA，能有效降低系統(tǒng)的整體功耗，延長電池供電設(shè)備的續(xù)航時間。

4. 豐富功能特性

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

二、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 傳感器變送器

傳感器變送器通常需要穩(wěn)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(zhǔn)確地采集和傳輸數(shù)據(jù)。

2. 測試與測量設(shè)備

在測試與測量設(shè)備中，對電源的穩(wěn)定性和精度要求極高。LMZM23601的高性能特性，能滿足這類設(shè)備對電源的嚴(yán)格要求，保證測試和測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3. 電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施

電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中的一些設(shè)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(shè)備的理想電源選擇。

4. 空間受限應(yīng)用

對于如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、便攜式儀器等空間受限的應(yīng)用，LMZM23601的微型封裝和簡單的外圍電路設(shè)計，能輕松滿足其對空間的苛刻要求。

三、技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

1. 控制方案

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

2. 軟啟動功能

該模塊具有內(nèi)部編程的軟啟動時間，約為4ms，通過對內(nèi)部參考電壓進(jìn)行斜坡調(diào)整來實現(xiàn)。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(fù)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(nèi)部閾值，可用于精確控制模塊的啟動和關(guān)閉。通過從VIN到EN連接一個分壓器，還能設(shè)置輸入電壓鎖定（UVLO）功能，以滿足特定應(yīng)用對輸入電壓的要求。在關(guān)機(jī)模式下，當(dāng)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(jī)功耗。

4. 電流限制與打嗝模式

模塊內(nèi)部設(shè)有兩個電流限制，粗調(diào)的高端或峰值電流限制用于保護(hù)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(dāng)輸出短路時，打嗝模式會被激活，模塊會關(guān)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(xù)短路導(dǎo)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(nèi)置的電源良好信號，可指示輸出電壓是否在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。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(biāo)稱電壓源。TI建議上拉電阻值在10kΩ至100kΩ之間。

6. MODE/SYNC功能

• 強(qiáng)制PWM模式：當(dāng)對恒定頻率操作的要求高于輕負(fù)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(qiáng)制PWM模式。在此模式下，開關(guān)頻率在整個負(fù)載電流范圍內(nèi)保持恒定，二極管仿真功能關(guān)閉，適用于對頻率穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用。
• 自動PFM模式：當(dāng)MODE/SYNC端子保持低電平時，模塊在輕負(fù)載時會自動切換到PFM模式，并采用二極管仿真技術(shù)，以降低電感電流的均方根值和開關(guān)頻率，從而提高輕負(fù)載時的轉(zhuǎn)換效率。
• 壓差模式：當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時，模塊會進(jìn)入壓差模式，此時通過頻率折返技術(shù)延長開關(guān)周期，以保持輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，適用于電池供電等輸入電壓變化較大的應(yīng)用。
• 同步操作：MODE/SYNC輸入允許模塊與外部時鐘同步，可實現(xiàn)多個調(diào)節(jié)器的同步開關(guān)，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(hù)功能

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

四、設(shè)計應(yīng)用指南

1. 設(shè)計流程

• 確定設(shè)計參數(shù)：根據(jù)應(yīng)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(shè)計一個5V、1A的輸出轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)輸出電壓，則選擇可調(diào)輸出電壓版本。
• 使用WEBENCH工具進(jìn)行定制設(shè)計：通過WEBENCH Power Designer，輸入設(shè)計要求，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，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(dǎo)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(zhuǎn)換器的性能至關(guān)重要。建議使用高質(zhì)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(yīng)用，推薦使用額定電壓≥50V的電容；對于12V輸入的應(yīng)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(guān)電流路徑的電感。
• 輸出電容：輸出電容應(yīng)選擇低ESR的陶瓷電容，以確保模塊的穩(wěn)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(chǎn)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(diào)輸出版本）：對于可調(diào)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(shè)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(guān)系為(V{OUT}=V{REF}×frac{R{FBB}+R{FBT}}{R{FBB}})。當(dāng)(V{OUT}<3.0V)時，建議在輸出端提供20μA的靜態(tài)負(fù)載電流，可通過限制反饋分壓器的最大電阻來實現(xiàn)。
• PGOOD上拉電阻：若應(yīng)用需要電源良好標(biāo)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(yīng)用需要自定義輸入UVLO電平高于內(nèi)部UVLO，可從VIN到EN連接一個分壓器來設(shè)置開啟閾值。

3. 布局注意事項

• 最小化開關(guān)電流路徑的電感：將輸入電容盡可能靠近LMZM23601放置，使開關(guān)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(hù)敏感節(jié)點：對于可調(diào)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(jié)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(dǎo)到其他電路板層。建議在頂層和底層設(shè)置連續(xù)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(jié)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(jié)

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(shè)計要求，成為了空間受限工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。無論是在傳感器變送器、測試與測量設(shè)備，還是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和便攜式儀器等領(lǐng)域，它都能提供穩(wěn)定可靠的電源解決方案。在使用過程中，設(shè)計人員只要遵循本文介紹的設(shè)計指南和注意事項，就能充分發(fā)揮該模塊的優(yōu)勢，打造出高性能的電子產(chǎn)品。你在實際設(shè)計中是否遇到過類似的電源模塊選型和設(shè)計問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。