德州儀器LMZM23600：小身材大能量的DC/DC電源模塊

在當(dāng)今電子設(shè)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(yīng)用設(shè)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(chǎn)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(diào)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(shù)，僅需輸入和輸出電容，就能在27mm2的電路板空間內(nèi)設(shè)計出5V或3.3V、0.5A的DC/DC轉(zhuǎn)換器，非常適合對空間要求苛刻的應(yīng)用場景。

二、產(chǎn)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(yīng)多種工業(yè)電源，如常見的5V、12V或24V電源軌，為不同的應(yīng)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(diào)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(shè)計非常簡單，只需添加輸入和輸出電容即可；而可調(diào)輸出電壓版本則允許用戶通過添加兩個反饋電阻來設(shè)置輸出電壓。

3. 低功耗

在無負載時，電源電流僅為28μA，關(guān)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(diào)節(jié)范圍內(nèi)，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(guān)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(guān)頻率的應(yīng)用；自動PFM模式則在輕負載時提供更高的效率。
• 內(nèi)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(yīng)用。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

LMZM23600的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括傳感器變送器、測試與測量設(shè)備、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施以及對空間有嚴格要求的應(yīng)用等。在這些應(yīng)用中，它能夠高效地將高直流輸入電壓轉(zhuǎn)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(shù)細節(jié)

1. 控制方案

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

2. 軟啟動功能

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(yù)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(shè)置外部UVLO功能，可以防止轉(zhuǎn)換器在輸入電壓達到所需的最低水平之前嘗試調(diào)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(nèi)部有兩個電流限制：粗調(diào)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(diào)節(jié)范圍內(nèi)。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(dāng)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(guān)頻率在整個負載電流范圍內(nèi)保持恒定。
• 自動PFM模式：當(dāng)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(guān)頻率，提高輕負載時的轉(zhuǎn)換效率。
• 壓降模式：當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時，模塊采用頻率折返技術(shù)，延長開關(guān)周期，增加調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)器的同步開關(guān)，減少EMI并優(yōu)化系統(tǒng)性能。

7. 熱保護

模塊會監(jiān)測其結(jié)溫（TJ），當(dāng)溫度過高時會自動關(guān)閉。熱關(guān)斷閾值通常為155°C，當(dāng)結(jié)溫下降到低于滯后水平（通常比關(guān)斷溫度低15°C）時，模塊會重新啟動。

五、設(shè)計與應(yīng)用

1. 設(shè)計步驟

• 使用WEBENCH? Power Designer進行定制設(shè)計：通過輸入電壓、輸出電壓和輸出電流要求，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，如效率、占地面積和成本，并比較不同的設(shè)計方案。
• 輸入電容選擇：選擇高質(zhì)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(guān)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(shè)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(diào)輸出電壓版本）：對于可調(diào)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(shè)置輸出電壓。
• PGOOD上拉電阻：如果應(yīng)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(shè)置開啟閾值。

2. 布局指南

• 最小化開關(guān)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(guān)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(dǎo)到其他電路板層，確保模塊的散熱性能。

六、總結(jié)

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(yīng)用提供了一個理想的電源解決方案。通過合理的設(shè)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(shè)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(jīng)驗和見解。