DAQ的電源架構

 

在DAQ中
，跨多個子係統看到並聯電源軌和不同的負載電流（和紋波）要求並不罕見。圖1展示了DAQ係統的電源架構以及電源模塊如何為各種子係統生成所需的電源軌。

 

 

使用電源模塊有助於提高整體性能、效率和可靠性。電源模塊還具有以下優勢：

 

1
、同一封裝中的輸出電流通過優化的成本提供設計靈活性和可擴展性。

 

2、通過自動脈衝頻率調製（PFM）模式提高輕載效率的方法。

 

3、負載調節期間具有出色的瞬態響應。

 

4、通過集成、創新封裝和組裝的緊湊型解決方案。

 

5

、通過精選的無源元件選擇改善了功率模塊性能。

 

6、可在很寬的溫度範圍內工作。

 

7、從傳統變電站轉向智能變電站

 

通過選擇無源元件改善了功率模塊性能

 

除封裝選擇和旨在緩解EMI和輸出紋波的布局外，選擇無源元件同樣重要。非原裝組件可能在原型階段運行良好，但會出現壓迫跡象
，並導致現場損壞或故障。

 

電感器是DC/DC降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi設she計ji中zhong的de關guan鍵jian組zu件jian之zhi一yi。選xuan擇ze合he適shi的de電dian感gan器qi需xu要yao時shi間jian和he訣jue竅qiao，包bao括kuo了le解jie電dian感gan鐵tie芯xin的de細xi微wei參can數shu及ji其qi對dui電dian源yuan性xing能neng和he壽shou命ming的de影ying響xiang。電dian感gan器qi的de一yi個ge常chang見jian問wen題ti是shi高gao溫wen存cun儲chu（HTS）測試期間的故障，這表明電感器能夠長時間承受高溫。

 

在HTS測試期間，電感器置於DC/DC轉換器附近，限製氣流。鐵粉的塗層和/或huo粘zhan合he劑ji隨sui著zhe時shi間jian和he高gao溫wen條tiao件jian開kai始shi分fen解jie
，這zhe導dao致zhi鐵tie損sun增zeng加jia，並bing降jiang低di電dian源yuan效xiao率lv。在zai更geng高gao的de輸shu入ru電dian壓ya和he更geng高gao的de開kai關guan頻pin率lv下xia
，問wen題ti最zui為wei明ming顯xian。圖tu2比較了HTS壓力測試前後多個輸入電壓下電感的效率下降問題。

 

 

經檢查，電感器通常看起來並未明顯受損。電感的L和DCR值可能不會改變。但是，暴露在高溫下會增加交流阻抗，如圖2所示。

 

與此同時
，德州儀器的電源模塊集成了電感器。這些電感器隨著時間的推移和溫度的升高具有出色的性能。圖3所示為暴露在高溫後各類電感的HTS測試結果。該電源模塊使用電感器，在HTS測試後
，Q和鐵芯電阻變化很小或無變化。

 

 

此外，電源模塊經受工作電壓測試，以確保沒有絕緣擊穿。

 

具有自動PFM和負載瞬態響應的效率（總負載和輕負載）

 

電源模塊提供MODE/SYNC選項
，可在輕負載時轉換為自動節能模式。正常操作期間，電源模塊使用脈衝寬度調製（PWM）調節輸出。

 

當負載電流極低時

，控製邏輯轉換為PFM操作和二極管仿真。在該模式中，高側金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）接通一個或多個脈衝，以向負載提供能量。高側MOSFET的導通時間取決於輸入電壓電平和預編程的內部電流電平（IPEAK-MIN）。輸入電壓越高，導通時間越短。關斷時間的持續時間也取決於負載電流水平。較輕的負載導致較長的關閉時間。

 

這種操作模式在極輕負載下可實現出色的轉換效率。使用自動PFM模式時，空載時的輸出電壓比強製脈衝寬度調製（FPWM）操作高出約1%。圖4所示為PFM和FPWM模式的效率圖。

 

 

負(fu)載(zai)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)是(shi)衡(heng)量(liang)電(dian)源(yuan)如(ru)何(he)應(ying)對(dui)電(dian)流(liu)需(xu)求(qiu)的(de)突(tu)然(ran)變(bian)化(hua)或(huo)電(dian)源(yuan)跟(gen)蹤(zong)負(fu)載(zai)阻(zu)抗(kang)變(bian)化(hua)的(de)程(cheng)度(du)的(de)指(zhi)標(biao)。負(fu)載(zai)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)是(shi)一(yi)個(ge)越(yue)來(lai)越(yue)重(zhong)要(yao)的(de)性(xing)能(neng)參(can)數(shu)
，特(te)別(bie)是(shi)對(dui)於(yu)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)或(huo)現(xian)場(chang)可(ke)編(bian)程(cheng)門(men)陣(zhen)列(lie)。其(qi)具(ju)有(you)低(di)核(he)心(xin)電(dian)壓(ya)、高電流消耗和快速負載切換的特點。圖4所示為電源模塊的負載瞬態響應。

 

若保持足夠低的等效串聯電阻
，則可通過調整輸出電容來改善瞬態響應。增加輸入電容可增強對更長和/或huo更geng深shen的de瞬shun態tai步bu長chang的de響xiang應ying。得de益yi於yu每mei相xiang電dian流liu的de減jian少shao，增zeng加jia變bian流liu器qi相xiang位wei還hai可ke通tong過guo提ti高gao有you效xiao開kai關guan頻pin率lv及ji允yun許xu更geng小xiao的de輸shu出chu電dian感gan器qi和he電dian容rong器qi來lai改gai善shan瞬shun態tai響xiang應ying。

 

縮小解決方案尺寸

 

德州儀器現已開發出創新的用於功率模塊的緊湊封裝技術。

 

此類封裝技術是如圖5所示的四方扁平無引線（QFN）封裝

，具有單個銅引線框架。帶旁路元件的集成電路（IC）安裝在該引線框架上。通過將電感器安裝在IC和無源元件上，開關節點也變得緊湊、長度較短，並降低EMI。示例包括德州儀器的LMZM33603 和 LMZM33602, 它們均具有36V輸入額定值，可提供高達3A的負載電流。

 

 

采用的MicroSiP™或QFN封裝技術可用於需要更低功率的電源軌。此類封裝技術使用裸DC/DC穩壓器芯片並將其嵌入薄的印刷電路板基板中。銅跡線不是使用接合線，而是將芯片連接到基板，如圖5所示。示例包括德州儀器的LMZM23601 和 LMZM23600, 它們集成了輸入旁路電容和電感，以提供更好的EMI性能。

 

可在很寬的溫度範圍內工作

 

電源模塊的一個優點是它們可在高溫條件下操作。通過優化的設計、封裝
、布局和合適的元件選擇
，功率模塊即使在100°C的高溫下也可提供50%的負載電流，如圖6所示。

 

 

使用電源模塊生成反向電源

 

在DAQ中

，選擇用於采樣AC模擬輸入的ADC指定為±10.24 V的輸入範圍。傳感器的AC電流或電壓輸出使用增益放大器縮放到ADC輸入範圍，且用於縮放增益的運算放大器使用±12 V直流電源供電。可使用多種方法生成所需的雙極DC電源。一種方法是通過在反向降壓-升壓配置中使用功率模塊來產生負電源。

 

在標準降壓配置中
，正極連接（VOUT）連接到內部電感

，回路連接到係統地。在反向降壓-升壓配置中，係統接地連接到VOUT
，回路現在是負輸出。這種拓撲結構可實現反向輸出電壓，如圖7所示。

 

 

結論

 

除提供上述詳細的多種優勢外
，DAQyingyongzhongdedianyuanmokuaihaiketigaoxitongxingnenghekekaoxing，jianshaoshejigongzuo，bingbangzhushejirenyuanyouhuadianlubankongjian。dezhouyiqijuyouguanjiaojianrongdedianyuanmokuaixilie，juyoubutongdefuzaidianliuhekebianchengshuchudianya，keweiDAQ設計提供可擴展性。

 

 

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