采用纳米功率模块实现DC/DC转换器的设计

无论是电信基础设施还是工业机器人，系统板都会增加更多功能和特性，从而减少可用电源的空间。以计算机中的分布式电源架构为例，其中负载点（POL）稳压器和DC/DC转换器要求尽可能小。此外，这些DC/DC转换器模块必须使用最少数量的外部元件，并提供高效率和快速瞬态响应。这些微型电源的尺寸小于50 mm 2 ，还必须具有出色的电磁干扰（EMI）性能。换句话说，尽管具有高开关频率，但所使用的集成电感器必须良好屏蔽，以将RF发射保持在最低限度，以便它们满足所需的法规要求。现在添加工程师对可扩展性的偏好，因为它可以在不改变印刷电路板的情况下轻松升级模块。总而言之，这是一个令人生畏的要求清单。

考虑到现代电源产品的这些新需求，德州仪器（TI）扩展了其广受欢迎的Simple Switcher DC/DC转换器系列，其中包括四个名为Nano Modules的新成员。四个Nano模块专为空间受限的POL应用而设计，包括高达17 V的DC/DC转换器，允许设计人员添加新功能，保持高效率，满足辐射EMI要求，并适应更小的外形尺寸，同时保持设计过程简单和系统成本低。从本质上讲，Nano模块可以最大限度地提高功率密度和散热性能，同时保持简单性

纳米功率模块

有两个版本：5 V部分，包括LMZ20501和LMZ20502，可在0.8 V至3.6 V的可调输出电压下提供高达2 A的输出电流，较高的17 V版本LMZ21700/01在0.9 V至6.0 V输出电压下的额定输出电流为1A。 Nano模块的尺寸小至30 mm 2 ，比分立器件小40％，具有低EMI，符合CISPR（B类）辐射和传导EMI标准。例如，17 V，1 A器件LMZ21701采用3.5 x 3.5 x 1.75 mm的微型封装，并集成了控制器/逻辑，功率MOSFET和高频电感，以及其他脉冲宽度调制（ PWM）在这个小型封装中起作用（图1）。因此，它提供了一个完整的降压DC/DC转换器解决方案，能够在空间受限的应用中驱动高达1 A的负载，如网络安全摄像头，工厂自动化和工业机器人。

虽然LMZ21701的输入电压范围为3至17 V，主要用于5 V或12 V输入应用。由于Nano模块是高度集成的，因此只需一个输入电容，一个输出电容，一个软启动电容和两个电阻，用于基本的降压DC/DC转换，如图2所示。作为一个快速入门，产品数据手册提供1.2 V至5.0 V输出电压的外部元件值。

图1：17 V纳米模块LMZ21701采用控制器/逻辑，功率MOSFET和微型封装中的电感器。

图2：LMZ21701仅需一个输入电容，一个输出电容，一个软启动电容和两个基本降压电阻DC/DC转换解决方案。

作为示例，表1给出了使用LMZ21701的VOUT为1.2 V的元件值。其他输出电压轨的类似表格在产品数据表中提供。除了给出精确值外，数据手册还推荐了具有电阻尺寸和公差的陶瓷电容器类型。

表1：使用Nano Module LMZ21701输出电压VOUT为1.2 V的外部元件值。

根据TI的产品线营销工程师Stephen Ott通过将高频开关技术与磁性技术的进步相结合，实现了高密度，高性能的纳米模块。为了实现小尺寸解决方案，LMZ21701 Nano模块采用创新的MicroSiP封装，具有DFN封装。该结构由嵌入在FR-4层压基板内的同步降压转换器IC组成，功率电感器安装在基板材料的顶部（图3）。 Nano Modules系列的其他成员也采用了类似的技术。

图3：封装横截面显示Nano Module的分立电感器安装在基板材料的顶部，而同步降压IC嵌入在FR-内部4层压基板。

Stephen Ott解释说，LMZ21701架构基于直接控制，可无缝转换为省电模式或DCS控制。他说，这种架构结合了迟滞型转换器的快速瞬态响应和稳定性，以及电压模式和电流模式稳压器的精确直流输出调节。如图4所示，负载变化的效率也很高。相比之下，对于相同的12 V输入，1.2 V输出的满载效率略低于3.3 V输出。同样，在低负载时，与3.3 V相比，1.2 V输出时效率下降得更快。然而，3.3 V输出的峰值效率约为90％，而1.2 V输出时为80％。同样，在低负载时，3.3 V输出的效率为72％，而1.2 V输出的效率为50％。

图4：纳米模块LMZ21701的效率图，输入电压VIN = 12 V，输出电压VOUT范围为1.2 V至5.0 V.

参考设计

为了证明Nano Module LMZ21701适用于宽输入，多输出高密度DC/DC解决方案，TI使用Simple Switcher转换器创建了参考设计LM46002和纳米模块LMZ21701。它被标记为PMP10618。四个输出图如图5所示。在此设计中，LM46002提供一个15 V至60 V输入的稳压12 V电压轨。然后使用12 V电压轨调节至5 V，3.3 V和1.8 V电压轨。三个LMZ21701模块。每根导轨可提供高达1 A的负载电流。参考设计提供了包含物料清单（BOM）的完整原理图。 TI还创建了类似的LMZ20502参考设计。标签为PMP10595，它提供单输出DC/DC解决方案，输入电压范围为2.7 V至5.5 V，输出电压为1.8 V，2 A。

图5：使用简单切换器模块LM46002和LMZ21701的宽VIN输入，多轨设计。

总之，四个Nano模块可实现最小的POL和DC/DC转换器解决方案，而不会影响性能。广泛的空间受限应用。