高端装备制造业龙头股 用于高端细分市场的电源模块

　　摘要:美国国家半导体的最新SIMPLE SWITCHER?�易电源电源模块，通过在同一封装内集成电感器和单片同步稳压器，实现了最高的“易用性”水平。对设计的孜孜以求使得一个专业的电源设计人员的要求远不只是“易用性”，还包括：在高温度环境下保证产品的性能和电气规格、电磁干扰达到国际标准、焊接可靠、抗震能力强等。本文描述了在不同细分市场，包括工业领域、医疗领域、航空和军事领域、广播视频和通信基础设施领域，如何达到更高性能目标。
　　关键词：SIMPLE SWITCHER?�易电源；美国国家半导体；LMZ14203；电源模块，
　　Power Modules in High-End Market Segments
　　
　　Ralf Regenhold
　　（ Technical Marketing Manager Power Management Europe）
　　
　　Abstract： The new SIMPLE SWITCHER? power modules from National Semiconductor reach the highest possible level of “Ease of Use” by integrating an inductor and a monolithic synchronous regulator within one power package. Professional power designers have far more requirements than “Ease of Use” related to design efforts, including: high ambient temperatures, requiring guaranteed performance and electrical specs; electrical emission （EMI） within international standards, reliable soldering; and vibration robustness.
　　This article describes how these high performance targets can be achieved in the following market segments: Industrial, medical, avionics and military, broadcast video and communication infrastructure.
　　Key words: SIMPLE SWITCHER?�Easy Power Supply,；National Semiconductor；LMZ14203,；power module
　　
　　 工业领域、医疗领域、航空和军事领域、广播视频和通信基础设施领域等所有细分市场都要求高度可靠性，其对电源的要求近似。以下将介绍具体领域的性能要求，虽然面向不同市场，但实际上在所有的高端系统上这些要求大同小异。
　　
　　1工业市场
　　
　　 工业应用要求电源的额定输入电压在24V，同时在电压瞬变到36V或者42V时也要能保证其全功能性。美国国家半导体的全新电源模块均可满足上述电压要求。不同的负载通常要求从5V至0.8V的不同电压值，为满足此类要求，最佳方案是采用一个二阶转换器。美国国家半导体的WEBENCH?�电源结构设计工具使我们可以很好的分析在不同的中间总线电压下的总系统效率。
　　 基于总效率，占位面积及方案成本可以对几类稳压器组合进行比较。给出的组合将受到一些限制，即在成本和效率间找到最好平衡。如果优化调谐旋钮移动了，将看到相应的其他解决方案。
　　 选择好一个专用的解决方案，只要用一个稳压器就可以生成5V总线电压。所有的二阶稳压器都是从5V电压开始，产生几个负载点电压。在对项目优化过程中，为了降低解决方案成本，可以为低负载电流选择替换器件。图1所示的就是最终设计框图，可获得的总效率是82%。
　　 工业应用中要求产品在环境温度高达85℃，没有外部散热片或风扇的情况下正常工作。在设计的第一阶段，LMZ14203即可展示美国国家半导体电源模块的出众性能，它能满足一般性需求。其输入电压为24V，输出电压为5V，输出电流为2.52A，在这样的条件下LMZ14203能获得的效率为87.7%，相应的功率损耗为PIC=1.75W。该电源模块采用了优化的封装，实现了极低的热阻抗，通过在模组背面加一个固态的外露焊盘就可以让PCB板均匀散热 （见图2）。
　　 当热阻ΘJA=19.3℃/W时，可以计算出结温增幅ΔTJ= ΘJA x PIC = 33.8℃。这意味着在环境温度85℃的情况下，结温可以达到最高TJ operating =119℃。符合数据表规定的最高额定温度TJ max =125℃。PCB板上的实际热量分布可以借助WEBENCH“热仿真”来模拟，见图3（热成像）。
　　 在选择相位时，通过降额曲线，模块的数据表可以帮助设计师估计出最大输出电流和最高环境温度。在85℃甚至更高的环境温度下，只有专为工业市场设计的模组会提供全负载电流，见图4（降额曲线）。 在环境温度达到106℃，Vin=5V，Vout=3.3V时，LMZ10504能够提供4A的全负载。
　　 根据IEC 61132 PLC规范，此处将不讨论静电放电（ESD）、突发和浪涌，及电流注入等要求。本文涉及的测试，无需对系统鲁棒性有需求的保护电路，其电源设计可以独立完成。
　　
　　2医疗和电信市场
　　
　　 该细分市场要求很高的系统完整性。敏感的信号链产品要求不受来自电源的电磁干扰。线性稳压器常用于支持模拟放大器和模数转换器。除此之外，数字处理单元还需高功率产品。只有开关稳压器能满足上述要求，因为其必须具有高效率及低能耗（ 低热阻） 。
　　 通过集成所有的开关功率元件和全隔离电感，美国国家半导体电源模块实现了最小的电磁干扰，图5所示即为其关键路径图。开关稳压器都会存在高dI/dt的开关电流回路 。它们会像天线一样，带来高电磁干扰，因此必须尽可能小。
　　 通过两个步骤以满足特性要求：
　　 （1）画出电流环路，此时打开（环路1），关断（环路2）。注意两个环路各自独立，均非要径，也无需最小化。
　　 （2）环路1和环路2中不重叠的支路 包含关键的高di/dt电流。在工作周期内，支路电流被认作直流电流（仅有很小的纹波），不会产生电磁干扰。因此只有局部的区域为高dI/dt（如图5中所标出），需要将其尽可能最小化以确保最低辐射。所以输入电容（Cin1）必须安装在尽可能挨近LMZ10504 VIN 引脚和接地裸焊盘的地方。
　　 开关节点区域也很重要，通过在稳压器封装内集成电感器而得以优化。
　　 基于这些优化设计，美国国家半导体的电源模块可以确保其数据表上列出的性能参数符合国际CISPR22（Class B）和EN55022标准要求，见图6（LMZ10504辐射电磁干扰图）。
　　
　　3航空电子和军事市场
　　
　　 集成稳压器、电感器甚至在关键节点处的电容器对于此类应用的意义最大。器件和系统的故障应降到最低。此外，对每个负载稳压器都提供了最好的过温保护。符合RoHS标准的TO263封装铅含量达标，为了确保高抗振性，采用了单面裸焊盘。同时，正在申请国际标准兼容性认证。
　　 为实现低能耗 及高可靠性，效率非常关键，而这仅有同步稳压器可以做到。尽管如此，效率仍很大程度上取决于输入和输出电压的差值。美国国家半导体的电源模块效率可以达到90%甚至更高。
　　 例如:
　　 LMZ10504 输入电压=5V 和输出电压=3.3V， 输出电流=3A ，效率（η）=95%
　　 LMZ10504输入电压=5V和输出电压=1.8V，输出电流=2A，效率（η）=93%
　　 LMZ14203输入电压=24V和输出电压=5.0V，输出电流=1.5A，效率（η）=90%
　　 像FPGA和DSP这类高端数字处理单元要求快速瞬态响应，因为他们可能瞬时变更处理模式。这要求在模块内有专门的调节回路。图7（LMZ10504瞬态响应）示意了在从0.4A到3.6A的大负载瞬态电流变化时产生的2.5V输出电压偏差。
　　 在支持模拟系统时，也要求低输出纹波。所有美国国家半导体电源模块的输出电容只需选用陶瓷电容，低等效串联电阻的电解电容或钽电容即可稳定工作。电源模块开关频率很高，最高可达到1MHz，同时又支持低等效串联电阻的电容，因此其输出电压纹波可以低至几个mV，见图8（LMZ10504输出电压纹波）。
　　
　　4总结
　　
　　 美国国家半导体的新一代SIMPLE SWITCHER易电源电源模块的性能令其可以满足特定的高性能市场应用需求。未来，美国国家半导体将为市场开发出更多具有附加性能的电源模块，让用户获得更多的电压和功率选择，使他们的设计更加灵活。
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