德州仪器LMZM23601：空间受限应用的理想DC/DC解决方案

在工业电子设计领域，空间受限的应用场景日益增多，这对电源模块的性能、集成度和设计便利性都提出了更高的要求。德州仪器（TI）的LMZM23601 DC/DC电源模块，为解决这类问题提供了一个出色的方案。下面，我们就来深入了解一下这款产品。

文件下载：lmzm23601.pdf

一、产品亮点

1. 宽输入电压范围与多输出选择

LMZM23601具备4V至36V的宽输入电压范围，能适应多种不同的电源环境。其输出电压不仅有3.3V和5V的固定选项，还支持1.2V至15V的可调范围，这为设计人员提供了极大的灵活性，能满足各种不同负载的电压需求。

2. 小尺寸与高集成度

这款模块采用了3.8mm × 3mm的微型封装，解决方案尺寸仅为27平方毫米的单面布局。如此小的尺寸，非常适合空间受限的应用。同时，它内部集成了电感，在5V或3.3V输出设计中，仅需输入和输出电容这两个外部元件，大大简化了设计过程，减少了电路板的占用空间。

3. 低功耗设计

在轻负载和无负载情况下，LMZM23601的功耗表现出色。无负载时的电源电流仅为28μA，关机电流更是低至2μA，能有效降低系统的整体功耗，延长电池供电设备的续航时间。

4. 丰富功能特性

它具备电源良好标志（Power-good flag），可实时指示系统状态；支持外部频率同步，方便与其他设备协同工作；还有MODE选择引脚，可在强制PWM模式和自动PFM模式之间切换，以满足不同应用场景对效率和频率稳定性的要求。此外，内置的控制环路补偿、软启动、电流限制和欠压锁定（UVLO）等功能，增强了系统的稳定性和可靠性。

二、应用领域

1. 传感器变送器

传感器变送器通常需要稳定的低电压电源，LMZM23601的宽输入电压范围和高精度输出，能为传感器提供可靠的电力支持，确保其准确地采集和传输数据。

2. 测试与测量设备

在测试与测量设备中，对电源的稳定性和精度要求极高。LMZM23601的高性能特性，能满足这类设备对电源的严格要求，保证测试和测量结果的准确性。

3. 电网基础设施

电网基础设施中的一些设备，如智能电表、通信模块等，对电源的体积和可靠性有较高要求。LMZM23601的小尺寸和高可靠性，使其成为这些设备的理想电源选择。

4. 空间受限应用

对于如工业物联网设备、便携式仪器等空间受限的应用，LMZM23601的微型封装和简单的外围电路设计，能轻松满足其对空间的苛刻要求。

三、技术细节剖析

1. 控制方案

LMZM23601采用峰值电流模式控制架构，能在宽输入电压范围内保持恒定的开关频率和良好的输入输出瞬态响应。可调输出电压选项在1000kHz的开关频率下工作，固定5V和3.3V输出选项则在750kHz的标称开关频率下工作。在低输入电压时，还会采用频率折返技术，以降低压差电压，确保输出电压的稳定调节。

2. 软启动功能

该模块具有内部编程的软启动时间，约为4ms，通过对内部参考电压进行斜坡调整来实现。即使在模块启动前输出端已有电压，它也能正常启动，避免了电压冲击对负载的影响。

3. 使能和外部UVLO功能

LMZM23601的使能（EN）输入端子具有两个内部阈值，可用于精确控制模块的启动和关闭。通过从VIN到EN连接一个分压器，还能设置输入电压锁定（UVLO）功能，以满足特定应用对输入电压的要求。在关机模式下，当输入电压为12V时，模块仅消耗1.8μA的输入电流，极大地降低了待机功耗。

4. 电流限制与打嗝模式

模块内部设有两个电流限制，粗调的高端或峰值电流限制用于保护电路免受故障影响，精确的逐周期谷值电流限制则可防止输出平均电流过大。当输出短路时，打嗝模式会被激活，模块会关闭两个功率MOSFET并等待约8ms的打嗝间隔，然后重新启动，以防止持续短路导致过热和功耗过大。

5. 电源良好（PGOOD）功能

PGOOD引脚提供了一个内置的电源良好信号，可指示输出电压是否在调节范围内。该引脚为开漏输出，需要连接一个上拉电阻到15V或更低的标称电压源。TI建议上拉电阻值在10kΩ至100kΩ之间。

6. MODE/SYNC功能

• 强制PWM模式：当对恒定频率操作的要求高于轻负载效率时，将MODE/SYNC输入拉高或提供有效的同步输入，可激活强制PWM模式。在此模式下，开关频率在整个负载电流范围内保持恒定，二极管仿真功能关闭，适用于对频率稳定性要求较高的应用。
• 自动PFM模式：当MODE/SYNC端子保持低电平时，模块在轻负载时会自动切换到PFM模式，并采用二极管仿真技术，以降低电感电流的均方根值和开关频率，从而提高轻负载时的转换效率。
• 压差模式：当输入电压接近输出电压时，模块会进入压差模式，此时通过频率折返技术延长开关周期，以保持输出电压的稳定调节，适用于电池供电等输入电压变化较大的应用。
• 同步操作：MODE/SYNC输入允许模块与外部时钟同步，可实现多个调节器的同步开关，从而改善电磁干扰（EMI）特性，减少部分电源轨上的电容需求。

7. 热保护功能

LMZM23601会监测其结温（TJ），当温度过高（典型值为155°C）时，会关闭高端和低端功率MOSFET，直到结温下降到低于滞后水平（典型值为15°C），从而保护模块不受过热损坏。

四、设计应用指南

1. 设计流程

• 确定设计参数：根据应用需求，确定输入电压范围、输出电压和输出电流范围。例如，若设计一个5V、1A的输出转换器，输入电压范围可选择8V至36V。
• 选择合适的输出类型：如果输出电压为3.3V或5V，可选择固定输出电压选项；若需要在1.2V至15V之间调节输出电压，则选择可调输出电压版本。
• 使用WEBENCH工具进行定制设计：通过WEBENCH Power Designer，输入设计要求，优化设计参数，如效率、尺寸和成本等。该工具还能提供定制化的原理图、物料清单以及实时的价格和组件可用性信息，并支持电气和热仿真、导出CAD格式文件等功能。

2. 元件选择

• 输入电容：输入电容的选择和布局对降压转换器的性能至关重要。建议使用高质量的10μF、1210（3225）封装、X5R或X7R陶瓷电容，并确保其电压额定值足够。对于输入电压为24V的应用，推荐使用额定电压≥50V的电容；对于12V输入的应用，额定电压≥25V的电容即可。同时，要将输入电容尽可能靠近LMZM23601放置，以减小开关电流路径的电感。
• 输出电容：输出电容应选择低ESR的陶瓷电容，以确保模块的稳定运行。不同输出电压对最小输出电容有不同要求，例如，5V输出时，推荐使用22μF的电容。同时，要注意最大输出电容值，避免在启动时产生过大的浪涌电流，影响模块的正常工作。
• 反馈电压分压器（可调输出版本）：对于可调输出电压版本，需要使用两个外部电阻组成反馈电压分压器来设置输出电压。输出电压(V{OUT})与参考电压(V{REF})及两个电阻(R{FBT})和(R{FBB})的关系为(V{OUT}=V{REF}×frac{R{FBB}+R{FBT}}{R{FBB}})。当(V{OUT}<3.0V)时，建议在输出端提供20μA的静态负载电流，可通过限制反馈分压器的最大电阻来实现。
• PGOOD上拉电阻：若应用需要电源良好标志，可从PGOOD端子连接一个100kΩ的上拉电阻到外部电压轨；若不需要该功能，可将PGOOD端子悬空。
• VIN分压器和使能：若应用需要自定义输入UVLO电平高于内部UVLO，可从VIN到EN连接一个分压器来设置开启阈值。

3. 布局注意事项

• 最小化开关电流路径的电感：将输入电容尽可能靠近LMZM23601放置，使开关电流路径的面积最小，以降低高频噪声对输出电压的影响。
• 保护敏感节点：对于可调输出版本，要将反馈分压器尽可能靠近模块放置，减小反馈节点的尺寸，避免反馈线路拾取附近电路的噪声。
• 提供足够的散热铜面积：在模块下方放置狗骨形状的接地铜层，并使用热过孔将热量传导到其他电路板层。建议在顶层和底层设置连续的接地平面或大面积铜层，以提高散热效果。通过参考第6.7节中的封装热阻曲线和功率耗散曲线，可估算出所需的铜面积。

五、总结

德州仪器的LMZM23601 DC/DC电源模块凭借其宽输入电压范围、小尺寸、低功耗、丰富的功能特性和简单的设计要求，成为了空间受限工业应用的理想选择。无论是在传感器变送器、测试与测量设备，还是电网基础设施和便携式仪器等领域，它都能提供稳定可靠的电源解决方案。在使用过程中，设计人员只要遵循本文介绍的设计指南和注意事项，就能充分发挥该模块的优势，打造出高性能的电子产品。你在实际设计中是否遇到过类似的电源模块选型和设计问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。