探索 MagI3C 電源模塊 WPMDH1302401：高效降壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)指南
探索 MagI3C 電源模塊 WPMDH1302401：高效降壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)指南
在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源模塊的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。Würth Elektronik 的 MagI3C 電源模塊 WPMDH1302401 作為一款可變降壓調(diào)節(jié)器模塊（VDRM），為工程師們提供了一個強(qiáng)大而可靠的解決方案。今天，我們就來深入探討這款模塊的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)流程以及應(yīng)用注意事項(xiàng)。
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一、模塊概述
WPMDH1302401 屬于 MagI3C 電源模塊家族的 VDRM 系列，它將降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器和電感集成在一個封裝中，形成了一個完全集成的 DC - DC 電源。該模塊具有 6 - 42V 的寬輸入電壓范圍，能夠輸出 5 - 24V 的電壓，最大輸出電流可達(dá) 3A，輸出功率最高為 36W。其創(chuàng)新的工業(yè)高功率密度 TO263 - 7EP 封裝（尺寸為 10.16 x 13.77 x 4.57mm）不僅增強(qiáng)了熱性能，還支持手工或機(jī)器焊接。
1.1 主要特性
- 高效率：峰值效率高達(dá) 97%，能有效減少能量損耗。
- 寬輸入輸出范圍：6 - 42V 輸入，5 - 24V 輸出，適應(yīng)多種應(yīng)用場景。
- 強(qiáng)大的保護(hù)功能：具備熱關(guān)斷、過流、短路、過壓和欠壓保護(hù)等功能，確保模塊在各種異常情況下的安全運(yùn)行。
- 快速瞬態(tài)響應(yīng)：設(shè)計(jì)用于快速響應(yīng)負(fù)載變化，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。
- 低輸出電壓紋波：提供穩(wěn)定的輸出電壓，滿足對電壓精度要求較高的應(yīng)用。
- 可編程軟啟動：可避免啟動時的電流沖擊，保護(hù)電路元件。
- 可調(diào)開關(guān)頻率：根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活調(diào)整開關(guān)頻率。
- 寬工作溫度范圍：環(huán)境溫度范圍可達(dá) - 40°C 至 105°C，結(jié)溫范圍為 - 40°C 至 125°C，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。
- 環(huán)保合規(guī)：符合 RoHS 和 REACH 標(biāo)準(zhǔn)，通過 UL 94 Class V0 可燃性測試，滿足 EN 55022 類 B 輻射和傳導(dǎo)發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)。
1.2 典型應(yīng)用
- 負(fù)載點(diǎn) DC - DC 應(yīng)用：適用于 12V 和 24V 工業(yè)導(dǎo)軌的負(fù)載點(diǎn)電源轉(zhuǎn)換。
- 工業(yè)、測試與測量、醫(yī)療應(yīng)用：為這些領(lǐng)域的設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源。
- 系統(tǒng)電源：作為系統(tǒng)的主要電源供應(yīng)模塊。
- DSP、FPGA、MCU 和 MPU 供電：滿足這些高性能芯片的電源需求。
- I/O 接口電源：為各種接口提供穩(wěn)定的電源。
二、設(shè)計(jì)流程
設(shè)計(jì)基于 WPMDH1302401 的電源應(yīng)用，可按照以下 7 個步驟進(jìn)行：
2.1 選擇輸出電壓（Vout）
輸出電壓由連接在 Vout 和地之間的兩個電阻組成的分壓器決定。分壓器的中點(diǎn)連接到 FB 輸入，F(xiàn)B 引腳的電壓與 0.8V 內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較。正常工作時，當(dāng) FB 引腳電壓低于 0.8V 時，啟動導(dǎo)通時間周期，使輸出電壓上升。反饋電阻的比值可根據(jù)所需輸出電壓計(jì)算： [ frac{R{FBT}}{R{FBB}}=left(frac{V_{OUT }}{0.8 V}right)-1 ] 這些電阻應(yīng)選擇 1kΩ 至 50kΩ 范圍內(nèi)的值。
2.2 選擇導(dǎo)通時間電阻（RON）
許多設(shè)計(jì)會先確定所需的開關(guān)頻率?？墒褂靡韵鹿接?jì)算 RON： [ R{ON} cong frac{V{OUT }}{left(1.3 10^{-10} f{SW(CCM)}right)} ] RON 和 fSW(CCM) 的選擇受 COT 控制部分導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間的限制。導(dǎo)通時間由電阻 RON 和輸入電壓 VIN 決定，計(jì)算公式為： [ t{ON}=frac{left(1.3 10^{-10} R{ON}right)}{V{I N}} ] 為確保導(dǎo)通時間大于 150ns，最大 VIN 時的導(dǎo)通時間應(yīng)滿足要求，其最大工作頻率受以下公式限制： [ f{SW(MAX)}=frac{V{OUT }}{left( V_{I N(M A X)} * 150 nsright)} ] 若計(jì)算得到的 RON 小于最小允許值，應(yīng)選擇較低的頻率或限制 VIN(MAX)。
2.3 選擇輸入電容（CIN）
模塊內(nèi)部有一個 0.47μF 的輸入陶瓷電容，但還需要在模塊外部添加額外的輸入電容來處理應(yīng)用的輸入紋波電流。輸入電容應(yīng)盡可能靠近模塊放置。輸入電容的選擇主要考慮滿足輸入紋波電流要求，推薦最小輸入電容為 10μF X7R 陶瓷電容，其電壓額定值應(yīng)至少比應(yīng)用的最大輸入電壓高 25%。若系統(tǒng)需要保持一定的輸入紋波電壓最大值，可使用以下公式計(jì)算輸入電容： [ C_{IN} geq frac{3 A frac{12 V}{24 V} left(1-frac{12 V}{24 V}right)}{400000 * 0.240 V} ] 此外，可能需要添加具有較高 ESR 的額外大容量電容來抑制輸入電容和輸入電源線寄生電感的諧振效應(yīng)。
2.4 選擇輸出電容（COUT）
模塊內(nèi)部未集成所需的輸出電容。輸出電容至少要滿足最壞情況下的 RMS 電流額定值 (0.5 I{L R P - P})，增加電容值可降低輸出紋波，但 ESR 要足夠低。一般建議最小電容值為 10μF，同時要考慮電容的額定電容值隨施加的直流電壓的降額情況。選擇低 ESR 電容，如陶瓷和聚合物電解電容。
電容值可根據(jù)以下公式初步估算：
[ C{OUT } geq frac{I_{STEP } V{FB} L V{IN}}{4 V_{OUT } left( V{IN}-V{OUT }right) V{OUT - TRAN }} ]
輸出電容的 ESR 會影響輸出電壓紋波，應(yīng)選擇合適的 ESR 以滿足最大期望的 VOUT 峰 - 峰紋波電壓，并避免正常運(yùn)行時觸發(fā)過壓保護(hù)?？墒褂靡韵鹿接?jì)算 ESR：
[ ESR{MAX - RIPPLE } leq frac{V{OUT - RIPPLE }}{I{LR P - P }} ]
[ ESR{MAX - OVP }
2.5 選擇軟啟動電容（CSS）
可編程軟啟動功能允許調(diào)節(jié)器在啟用后緩慢上升到穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，減少輸入電源的浪涌電流，減緩輸出電壓的上升時間以防止過沖。啟動時，內(nèi)部 8μA 電流源開始對外部軟啟動電容充電，軟啟動電容可通過以下公式計(jì)算： [ C{S S}=t{S S} * frac{8 mu A}{0.8 V} ] 其中 (t_{ss}) 為選擇的軟啟動時間（ms）。建議使用 4.7nF 電容，可實(shí)現(xiàn) 0.5ms 的軟啟動持續(xù)時間。當(dāng)軟啟動輸入超過 0.8V 時，功率級輸出進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)。高 CSS 電容值會導(dǎo)致負(fù)載瞬態(tài)跨越 DCM - CCM 邊界時輸出電壓下降更多。若需要在 DCM 和 CCM 模式之間實(shí)現(xiàn)快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，軟啟動電容值應(yīng)小于 0.018μF。在某些情況下，如使能輸入拉低、熱關(guān)斷、過流故障或內(nèi)部 VINUNO 時，軟啟動電容會通過內(nèi)部 200μA 電流源放電至地。
2.6 選擇前饋電容（CFF）
前饋電容 CFF 與 RFBT 并聯(lián)，將交流紋波直接從輸出旁路到反饋引腳，支持內(nèi)部紋波發(fā)生器，同時影響負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)。其值通常通過在 DCM 和 CCM 傳導(dǎo)模式之間進(jìn)行負(fù)載階躍實(shí)驗(yàn)來確定，以獲得最佳瞬態(tài)響應(yīng)和最小輸出紋波。實(shí)踐中，22nF 的電容表現(xiàn)最佳，且應(yīng)靠近 FB 引腳放置。
2.7 可選：選擇使能分壓器（RENT、RENB）
使能輸入提供 1.18V 的精確參考閾值，允許直接邏輯驅(qū)動或連接到來自更高使能電壓（如 VIN）的分壓器。使能輸入還具有 90mV（典型值）的遲滯，下降閾值為 1.09V，最大推薦輸入電壓為 6.5V。對于使能分壓器中點(diǎn)電壓超過 6.5V 的應(yīng)用，可添加小齊納二極管來限制該電壓。 RENT 和 RENB 分壓器的作用是讓設(shè)計(jì)者選擇一個輸入電壓閾值，低于該閾值時電路將被禁用，實(shí)現(xiàn)可編程外部欠壓鎖定功能。這在電池供電系統(tǒng)中可防止電池深度放電，也可用于系統(tǒng)輸出軌的排序或防止電源上電時過早開啟。推薦選擇高于目標(biāo)調(diào)節(jié)輸出電壓的輸入 UVLO 水平。使能分壓器的兩個電阻應(yīng)根據(jù)以下比例選擇： [ frac{R{E N T}}{R{E N B}}=frac{V_{U V L O(E X T E R N)}}{1.18 V}-1 ] EN 引腳內(nèi)部上拉至 VIN，若要始終開啟，可懸空，但使用使能分壓器并在 VIN 接近標(biāo)稱值時開啟調(diào)節(jié)器，可保證平穩(wěn)啟動并防止輸入電源過載。
2.8 確定電路板的功率損耗和熱要求
計(jì)算目標(biāo)是確定所需散熱片的特性，對于表面貼裝模塊，即 PCB 的層數(shù)、銅面積和厚度，這些特性反映在熱阻 (Theta{CA}) 中。半導(dǎo)體器件的工作結(jié)溫 (T{J}) 計(jì)算公式為：
[ T{J}=P{I C - Loss} * theta{J A}+T{A M B} ]
其中 (P{IC - Loss}) 是模塊 IC 內(nèi)的總功率損耗，與工作條件有關(guān)；(theta{JA}) 是結(jié)到環(huán)境的熱阻，計(jì)算如下：
[ theta{JA}=theta{JC}+theta{CA} ]
(theta{JC}) 是結(jié)到外殼的熱阻。結(jié)合上述公式可得最大外殼到環(huán)境的熱阻：
[ theta{CA(MAX)}
三、PCB 布局說明
PCB 布局是 DC - DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的重要部分，良好的布局可避免 EMI、接地反彈和走線電阻壓降等問題，確保轉(zhuǎn)換器和周圍電路的性能穩(wěn)定。以下是五條簡單的設(shè)計(jì)規(guī)則：
3.1 最小化開關(guān)電流回路面積
識別系統(tǒng)中電流不連續(xù)流動的路徑，這些路徑是最關(guān)鍵的，因?yàn)樗鼈儠?a target="_blank">天線一樣產(chǎn)生高頻噪聲（EMI）?？赏ㄟ^繪制兩個開關(guān)周期的高電流回路，找出不重疊的部分，這些部分電流不連續(xù)且 di/dt 大。輸入電容 (C{IN}) 的路徑對 Vin 產(chǎn)生高頻噪聲最為關(guān)鍵，因此應(yīng)將 (C{IN}) 盡可能靠近 MagI3C 電源模塊的 (V_{IN}) 和 PGND 暴露焊盤 EP 放置，以最小化高 di/dt 區(qū)域，減少輻射 EMI。同時，輸入和輸出電容的接地應(yīng)采用局部頂層平面連接到 PGND 暴露焊盤。
3.2 單點(diǎn)接地
反饋、軟啟動和使能組件的接地連接應(yīng)路由到設(shè)備的 AGND 引腳，防止開關(guān)或負(fù)載電流在模擬接地走線中流動。若接地處理不當(dāng)，可能導(dǎo)致負(fù)載調(diào)節(jié)性能下降或輸出電壓紋波不穩(wěn)定。應(yīng)從 AGND 引腳 4 提供單點(diǎn)接地連接到輸出電容的 GND 端子，這是噪聲最低的點(diǎn)。
3.3 最小化到 FB 引腳的走線長度
反饋電阻 (R{FBT}) 和 (R{FBB}) 以及前饋電容 (C{FF}) 應(yīng)靠近 FB 引腳放置。由于 FB 節(jié)點(diǎn)阻抗高，應(yīng)盡量減小銅面積。(R{FBT})、(R{FBE}) 和 (C{FF}) 的走線應(yīng)遠(yuǎn)離 MagI3C 電源模塊主體，以減少噪聲拾取。
3.4 使輸入和輸出總線連接盡可能寬
這樣可減少轉(zhuǎn)換器輸入或輸出的電壓降，提高效率。
3.5 提供足夠的設(shè)備散熱
使用散熱過孔陣列將暴露焊盤連接到 PCB 底層的接地平面。若 PCB 有多層銅，這些散熱過孔也可連接到內(nèi)層散熱接地平面。建議使用 6 x 6 過孔陣列，最小過孔直徑為 254μm，過孔間距為 1.5mm。確保有足夠的銅面積用于散熱，使結(jié)溫保持在 125°C 以下。
四、保護(hù)功能
4.1 輸出過壓保護(hù)（OVP）
FB 引腳的電壓與 0.8V 內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，過壓保護(hù)（OVP）閾值為 0.92V。若 FB 電壓超過此閾值，導(dǎo)通時間立即終止。這可能在輸入電壓突然增加或輸出負(fù)載突然減少時發(fā)生。一旦 OVP 激活，頂部 MOSFET 的導(dǎo)通時間將被禁止，直到條件解除。同時，同步 MOSFET 將保持導(dǎo)通，直到電感電流降至零。
4.2 過流保護(hù)（OCP）
在關(guān)斷時間通過監(jiān)測同步 MOSFET 中的電流來進(jìn)行電流限制檢測。當(dāng)頂部 MOSFET 關(guān)斷時，電感電流通過負(fù)載、PGND 引腳和內(nèi)部同步 MOSFET 流動。若該電流超過 (I{CL}) 值，電流限制比較器將禁用下一個導(dǎo)通時間周期的啟動。只有當(dāng) FB 輸入小于 0.8V 且電感電流降至 (I{CL}) 以下時，下一個開關(guān)周期才會發(fā)生。在電流限制期間，由于關(guān)斷時間延長，開關(guān)頻率會降低。需要注意的是，直流電流限制會隨占空比、開關(guān)頻率和溫度而變化。
4.3 過溫保護(hù)（OTP）
MagI3C 電源模塊的結(jié)溫不應(yīng)超過其最大額定值。內(nèi)部熱關(guān)斷電路在 165°C（典型值）時激活，使設(shè)備進(jìn)入低功率待機(jī)狀態(tài)。在此狀態(tài)下，主 MOSFET 保持關(guān)斷，導(dǎo)致 (V{out}) 下降，同時 (C{ss}) 電容放電至地。當(dāng)結(jié)溫降至 145°C（典型遲滯 = 20°C）以下時，SS 引腳釋放，(V_{OUT}) 平穩(wěn)上升，恢復(fù)正常運(yùn)行。
4.4 零線圈電流檢測（ZCCT）
零線圈電流檢測電路監(jiān)測下部（同步）MOSFET 的電流，當(dāng)電流達(dá)到零時，禁止同步 MOSFET 導(dǎo)通，直到下一個導(dǎo)通時間。此電路實(shí)現(xiàn)了 DCM 工作模式，提高了輕載時的效率。
4.5 輸出欠壓保護(hù)（UVP）
MagI3C 電源模塊能夠在預(yù)偏置輸出下正常啟動，這種啟動情況在多軌邏輯應(yīng)用中很常見。輸出電壓的預(yù)偏置水平必須低于輸入 UVLO 設(shè)置點(diǎn)，以防止輸出預(yù)偏置通過高端 MOSFET 體二極管使調(diào)節(jié)器啟用。
五、應(yīng)用電路示例
文檔提供了兩個設(shè)計(jì)示例的物料清單，展示了不同輸出電壓
-
降壓調(diào)節(jié)器
+關(guān)注
關(guān)注
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