現代工廠都採用自動化系統，依靠整個工廠範圍內的許多感測器提供的回饋資訊來保持高生產率。這些公司採用數位現場匯流排來匯總感測器收集的大量資料。感測器收集的資料越多，系統的適應性和操作性就越好。
因此，採用現場匯流排連接的現代工業感測器必須以更快和更精確的速率來檢測信號，並將該資訊作為與傳統類比信號相對的數位信號輸出。這一功能要求感測器使用功率更大的處理器。此外，由於工廠中此類感測器的數量更多，因此形狀因數變小。功率的增大以及形狀因數的變小迫使工廠擯棄成熟的線性穩壓器方案，轉而採用開關穩壓器方案。
而採用開關穩壓器又產生了新的挑戰。由於電感器要求使用額外的區域，因此開關穩壓器形狀因數較大。必須考慮穩壓器開關頻率與測量信號頻率之間的關係。
因此，轉換器的佈局更加關鍵。設計不良的開關穩壓器會提高本底雜訊，並產生不必要的電磁相容性（EMC），將會干擾小型信號的檢測。
幸運的是，我們目前提供了集成電感器DC/DC開關穩壓器，可以最大限度地減少此類挑戰。電感器的集成不僅減小了開關節點的面積，還可以更輕鬆地實現最佳佈局。新型DC/DC轉換器的開關頻率顯著提高，因此可以使用小型片式電感器和陶瓷電容器，使得DC/DC轉換器成為外形最小的選擇。
新型LMZM23601電源模組將DC/DC轉換器、電感器、Vcc濾波電容器和升壓電容器集成到一個3mm*3.8mm*1.6mm的封裝中。這樣可以處理最高36V的輸入電壓，並將電壓從15V降至2.5V（固定5V和3.3V可選），同時輸出電流高達1A。如圖1所示，佔用最小的板內空間實現完整的1A解決方案。
圖 1：LMZM23601解決方案適用於3.3V至5V輸出，電流高達1A
將LMZM23601與傳統的線性穩壓器方案相比較，來滿足現場變送器應用的以下要求：
• 輸入電壓：10V至30V，公稱24V
• 輸出電壓：3.3V
• 輸出電流：35mA
• 溫度範圍：環境溫度-40°C至85°C
• 板面積：4mm*4.5mm
如表1所示，與微型小外形封裝（MSOP）8相比，LMZM23601具有封裝面積和熱能方面的優勢。注意：表1中規定的 RӨJA僅供比較參考，鑒於板空間和銅排有限，在實際感測器應用中，該值會更高。聯合電子設備工程委員會(JEDEC)或評估模組（EVM）計算了資料表中的典型RӨJA值。例如，LMZM23601 45°C/W的RӨJA是基於一塊30mm*30mm的雙層電路板計算出來的。
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設計選項 |
封裝尺寸（mm） |
封裝面積（mm2） |
封裝熱能 RӨJA（ᵒC/W） |
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3 x 3.8 |
11.4 |
45 |
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線性–MSOP-8 |
5 x 3 |
15.0 |
60 |
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線性-散熱器薄小外形封裝（HTSSOP） |
5.1 x 6.6 |
33.7 |
39.7 |
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線性-電晶體外形（TO）-252 |
10.7 x 15.9 |
169.4 |
26.9 |
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線性–TO-263 |
10.4 x 6.7 |
69.7 |
24.7 |
如表2所示，線性穩壓器功耗為（24V-3.3V） x 35mA 約等於0.93W功率， 而LMZM23601功耗僅為0.116W。 MSOP-8封裝線性穩壓器的溫度上升使得結溫高於125℃的標準積體電路（IC）結溫，而根據45°C/W RӨJA，LMZM23601的結溫為90°C。即使將RӨJA乘以係數5，得到的Tj最大值仍然低於該結溫。
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設計選項 |
功耗（W） |
溫升 (°C) |
結溫 (°C) |
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0.1155 |
5.2 |
90 |
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線性–MSOP-8 |
0.9355 |
56.13 |
141 |
從這個例子可以看出，很明顯從熱能角度來看，線性穩壓器並非可行的方案。採用開關方案進行權衡（即使是採用LMZM23601等模組）意味著必須要考慮輸出紋波。如圖2所示，標準LMZM23601設計3.3V輸時的輸出紋波峰峰值約為3mV。表2：35mA下24V至3.3V轉換的熱考量
圖 2：3.3V輸出下LMZM23601EVM的輸出紋波
為了進一步降低輸出紋波，可以採用一台二級濾波器，如圖3所示。圖4顯示輸出紋波的峰峰值已從3mV降至低於1mV。
圖 3：帶二級濾波器的LMZM23601
圖 4：帶二級濾波器的LMZM23601輸出電壓紋波
對於要滿足緊湊板空間要求的工業感測器來說，開關穩壓器是唯一可行的選擇。LMZM23601集成電感器不僅具有高性能，解決方案尺寸小於線性穩壓器，同時具有開關穩壓器的效率。
其他資源
• 閱讀博客：“設計用於敏感型應用的二級濾波器”。
• 下載應用報告“半導體和積體電路封裝熱量度量”。
