德州仪器LMZM23600：小身材大能量的DC/DC电源模块

在当今电子设备小型化、集成化的趋势下，对于电源模块的要求也越来越高。德州仪器（TI）的LMZM23600就是一款专为空间受限的工业应用设计的高性能DC/DC电源模块，它以其紧凑的尺寸、丰富的功能和出色的性能，为工程师们提供了一个优秀的电源解决方案。

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一、产品概述

LMZM23600是一款输入电压范围为4V至36V的宽输入电压、低静态电流的高性能DC/DC模块。它有两种固定输出电压选项（5V和3.3V）以及一个可调输出电压选项（1.2V至15V），最大输出电流可达0.5A。该模块采用了高度集成和创新的封装技术，仅需输入和输出电容，就能在27mm²的电路板空间内设计出5V或3.3V、0.5A的DC/DC转换器，非常适合对空间要求苛刻的应用场景。

二、产品特性

1. 宽输入电压范围

4V至36V的宽输入电压范围，使其能够适应多种工业电源，如常见的5V、12V或24V电源轨，为不同的应用提供了灵活性。

2. 多种输出电压选项

提供固定的5V和3.3V输出电压选项，以及1.2V至15V的可调输出电压选项，满足了不同负载的电压需求。对于固定输出电压选项，设计非常简单，只需添加输入和输出电容即可；而可调输出电压版本则允许用户通过添加两个反馈电阻来设置输出电压。

3. 低功耗

在无负载时，电源电流仅为28µA，关机电流低至2µA，有效降低了系统的功耗，提高了能源效率。

4. 丰富的功能特性

• 电源良好标志（Power-Good Flag）：提供一个开漏输出的电源良好信号，指示输出电压是否在调节范围内，无需额外的监控组件，节省了成本和电路板空间。
• 外部频率同步：允许将模块的开关频率同步到外部时钟，有助于减少电磁干扰（EMI），并优化系统性能。
• 模式选择引脚：支持强制PWM模式和自动PFM模式。强制PWM模式适用于需要恒定开关频率的应用；自动PFM模式则在轻负载时提供更高的效率。
• 内置控制环路补偿、软启动、电流限制和欠压锁定（UVLO）：这些功能确保了模块的稳定性和可靠性，保护电路免受异常情况的影响。

5. 紧凑的封装

采用3.8mm × 3mm × 1.6mm的微型封装，节省了电路板空间，适合空间受限的应用。

三、应用领域

LMZM23600的应用领域广泛，包括传感器变送器、测试与测量设备、电网基础设施以及对空间有严格要求的应用等。在这些应用中，它能够高效地将高直流输入电压转换为较低的直流输出电压，为负载提供稳定的电源。

四、技术细节

1. 控制方案

LMZM23600采用峰值电流模式控制架构，能够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。可调输出电压选项的开关频率为1000kHz，固定5V和3.3V输出选项的标称开关频率为750kHz。在低输入电压时，模块会采用频率折返技术，以实现低压降电压，确保输出电压的稳定调节。

2. 软启动功能

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上升来实现。即使在模块激活之前输出端存在电压，它也能正常启动，确保输出电压从预偏置值平稳上升到最终输出电压。

3. 使能和外部UVLO功能

LMZM23600具有精确的使能（EN）输入端子，通过设置外部UVLO功能，可以防止转换器在输入电压达到所需的最低水平之前尝试调节输出电压，从而降低输入电源的电流需求。

4. 电流限制

模块内部有两个电流限制：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防止输出电流过大。在输出短路时，模块会进入打嗝模式，避免过度发热和功耗。

5. 功率良好（PGOOD）功能

PGOOD端子提供一个开漏输出的电源良好信号，指示输出电压是否在调节范围内。该信号需要一个上拉电阻连接到15V或更低的标称电压源，绝对最大PGOOD灌电流为8mA。

6. MODE/SYNC功能

• 强制PWM模式：当MODE/SYNC输入拉高或提供有效的同步输入时，模块进入强制PWM模式，确保开关频率在整个负载电流范围内保持恒定。
• 自动PFM模式：当MODE/SYNC端子拉低时，模块在轻负载时自动进入PFM模式，通过二极管仿真降低电感电流的均方根值和开关频率，提高轻负载时的转换效率。
• 压降模式：当输入电压接近输出电压时，模块采用频率折返技术，延长开关周期，增加调节器的最大占空比，确保输出电压在输入电压变化较大时仍能得到良好的调节。
• 同步操作：MODE/SYNC输入允许模块同步到外部时钟，实现多个调节器的同步开关，减少EMI并优化系统性能。

7. 热保护

模块会监测其结温（TJ），当温度过高时会自动关闭。热关断阈值通常为155°C，当结温下降到低于滞后水平（通常比关断温度低15°C）时，模块会重新启动。

五、设计与应用

1. 设计步骤

• 使用WEBENCH® Power Designer进行定制设计：通过输入电压、输出电压和输出电流要求，优化设计参数，如效率、占地面积和成本，并比较不同的设计方案。
• 输入电容选择：选择高质量的陶瓷电容，如10µF、1210（3225）尺寸、X5R或X7R电容，并将其尽可能靠近模块放置，以减少输入电压纹波和开关电流路径的电感。
• 输出电容选择：推荐使用低ESR的陶瓷电容，根据输出电压设置选择合适的电容值，确保模块的稳定运行。
• 反馈电压分压器（可调输出电压版本）：对于可调输出电压版本，通过两个外部电阻形成反馈电压分压器来设置输出电压。
• PGOOD上拉电阻：如果应用需要电源良好标志，使用100kΩ的上拉电阻连接PGOOD端子到外部电压轨。
• VIN分压器和使能：如果需要自定义输入UVLO水平，可以使用电压分压器连接VIN到EN端子来设置开启阈值。

2. 布局指南

• 最小化开关电流路径的电感：将输入电容尽可能靠近模块放置，确保开关电流路径的面积最小，降低电感和高频噪声。
• 保护敏感节点：将反馈分压器尽可能靠近模块放置，减少反馈节点的面积，避免噪声干扰。
• 提供足够的铜面积用于散热：在模块下方放置接地铜层，并使用热过孔将热量传导到其他电路板层，确保模块的散热性能。

六、总结

LMZM23600是一款功能强大、性能出色的DC/DC电源模块，它以其紧凑的尺寸、丰富的功能和低功耗特性，为空间受限的工业应用提供了一个理想的电源解决方案。通过合理的设计和布局，工程师们可以充分发挥其优势，实现高效、稳定的电源设计。你在使用类似电源模块时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。