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符合新标准之集成开关稳压器设计

发布时间:2022-02-24 责任编辑:wenwei

【导读】分立式开关稳压器通常难以集成到系统中,这是因为性能大都取决于外部器件、未知的EMC干扰以及受限的额定温度,因此通常需要外部散热。RECOM的新型电源模块打破了这些障碍,提供业界领先的功率密度并采用标准QFN封装,具有宽输入范围和可编程输出电压,额定电流为2.5A。


电子系统和产品的设计师一直以来都知道设备内部电源和设备功能是有关联的。当然,产品性能在很大程度上取决于电压的精度、噪声水平以及对负载瞬态的响应,但是可以通过由高效开关调节器产生的电源来控制和优化运行速度和系统功耗。这对物联网(IoT)来说很重要,因为远程传感器和执行器需要在更宽的输入电压范围内工作,还要限制功耗以延长电池寿命,同时产品体积要更小、工作时温度更低、更可靠,成本也要更低。 


在高性能系统中,从电源到单个负载的每个功率转换阶段都需要评估和优化。负载点转换器(PoL)通常是有多个电压系统的最佳解决方案,可在需要时提供精确的电压,最好还提供宽输入范围、高效率以及可编程输出。模块化 PoL已在市场多年,但很多都来自电信市场,在非常窄的电压范围内以很低的电压提供很大的输出电流。IoT业界希望看到的是一种低成本、灵活度高、高效、小巧又适用于自动贴装系统和工业环境的PoL,尤其是使用工业自动化常用的24V电源电压。 


RECOM RPX-2.5 在开关稳压器和PoL市场中带来革命性的变化 


RECOM Power [1]是一间历史悠久的低功率和高功率DC/DC和AC/DC转换器的制造商,近期推出了RPX-2.5转换器,是一个带有集成电感的开关稳压器。这并不是RECOM第一个非隔离DC/DC转换器;她的TO-220直插封装R78系列是78xx型线性稳压器的直接替代产品,累积售出数百万个,相较于「线性稳压器」性能更为升级,可在许多应用中大大提高效率并节省总成本。紧随其后的有RECOM RBB、RPM、R-78AA、R-78T、R420/PL和ROF表面贴装型,而现在推出的RPX系列(图1)再次地将这一概念推到了更高的层次。RECOM与主要IC制造商和全球OSAT公司(外包半导体组装和测试)一起合作开发的薄型RPX-2.5,尺寸仅4.6mm x 4.1mm x 2.1mm,使用方式跟其他「标准款」表面贴装组件一样,额定输出电流高达2.5A,而且跟PoL有相同的性能。 


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图1:RECOM集成电感的微型RPX-2.5开关稳压器


RPX-2.5的规格 


RPX-2.5的宽输入范围为4.5至28V(24V+15%容差),可调输出为1.2至6V。保守额定值为2.5A,可以提供更大电流来支持高启动电流的应用。12V输入和5V输出时,效率峰值达到91%,睡眠或间歇性负载应用时负载仅为额定值的3%。 


选择指南 


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根据不同的输入和输出电压组合,在特定的PCB尺寸和铜厚的情况下可以在高达85°C的环境温度下确保满载输出,无需散热器或强制风冷。采用了「引线框架上倒装芯片」(FCOL)技术的小型封装得以实现这个出色的性能,该技术让控制IC到PCB焊盘的热阻非常低。该产品为包覆成型,做成了具有完整环境保护的MSL3级无铅四方扁平无引线(QFN)封装。转换器制程全自动化,使用集成屏蔽电感加上紧凑型设计降低寄生电感,因此本身的EMI极低。转换器提供短路、输出过流以及过热等完整的保护。 


外部电压设置的灵活性 


为了有最佳灵活性,可以将电阻连接到 FB引脚来预设输出电压。用户可以选择最佳输出电压、执行「远端取样」来实现最佳负载调节,以及增加一个响应速度的前馈电容(图2中的CFF)以改善对过电流瞬态响应时间。或者可以省略CFF然后增加额外的输出电容以提高过电流状态的性能。用户可以选择输出电压达到降低成本的目的,因为一个产品可以有多种应用(例如可选1.8V、3.3V或5V)。 


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图2:RECOM RPX-2.5具有可编程输出和遥感选项


除此之外,可以更进一步地由外部控制来动态调整输出电压。有许多应用以处理器时钟速度和电源电压来换取最佳性能和功耗,在IoT应用中最为常见。例如,3.3V/16MHz的微控制器通常消耗30mW,但是在不影响性能的情况下,VCC电压不能降低于3.2V。如果µC处于非激活状态(例如等待输入),时钟频率可以降低到1MHz,从而将功耗降到6mW(20%)。但是时钟频率为1MHz的时候电源输出电压可以降到1.8V且不影响功能。使用降低的电源电压还可将功耗进一步降低至1.2mW(与最佳功能模式相比降低4%或25倍),在许多能量采集技术的范围之内(图3)。RPX-2.5可以通过连接FB引脚到微控制器I/O引脚来轻松实现这种可调的电源电压功能,而µC可以切换至不同的电阻值以及调整自己的电源电压。 


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图3:微控制器降低了功耗、时钟速度和电源电压


完整的解决方案 


RPX-2.5需要一个输入电容器才能正常工作,可以使用10µF的MLCC小型电容。针对高动态输出负载应用,则建议纹波电流额定值为1.25A或更高的并联47µF电解电容,但对许多用户而言电源输出已有足够的电容。为了符合EN 55032 Class B的要求,可以添加串联输入电感,同时也需要输出电容,而电容值取决于输出电压和负载。与内部安装的电容相比,这个方式允许用户只在需要的地方添加输入和输出电容,尺寸和额定电压针对应用进行优化,成为了尺寸更小、成本更低的解决方案。内部安装电容的额定值必须是规格书允许的最高输入和输出电压。输出电容也可以安装在最适合的位置,例如在微控制器电源引脚的附近。 


关断和欠压锁定功能 


RPX-2.5具有关闭引脚(CTRL),将引脚拉到接地可以用来关闭输出或产生启动/关闭的工作时序。引脚由内部电流源上拉,因此外部驱动器可以是开关、集电极开路,漏极开路或3.3V/5V的逻辑信号。在关闭状态下,RPX-2.5通常仅汲取2.5µA。其中一个CTRL引脚的功能是控制输入欠压锁定电平。UVLO预设在4.1V,但从输入到CTRL引脚的分压回路可以将电平设置得更高。例如,使用来自12V或24V电池的较高标称输入电压来防止深度放电低于设定水平时,这会是一个优势(如图4所示)。 


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图4:输入的电阻分压回路设定RPX-2.5的UVLO电平


需要更高瞬态输出功率? 


PoL通常需要能够为高动态负载提供峰值功率的能力,例如GSM模块的发射模式。一种解决方案是在规定的尺寸中使其具有最高的峰值电流,但这个缺点就是在低输出负载时的效率极差。另一方面,如果PoL具有较高的额定短时过电流峰值,那么它可以更小、更高效而且成本更低。RPX-2.5的该功能提供30%的电流提升能力达到3.2A以上并持续5秒,这个时间足以传输高功率数据或允许高负载启动电流。但这不会牺牲到可靠性,根据Telcordia SR-232可靠性指南,该部件在25°C下的MTBF为400M小时。 


应用 


具有寬輸入和輸出範圍的RPX-2.5适合应用在多个領域。一般来说,它可以與+15%容差的24V工業自動化電源一起使用以提供3.3V或5V输出电压。產品的小尺寸带来了其他的可能性,例如將連接器集成到一個傳感器中可以將5V降至3.3V。RPX-2.5還可以用於自動化測試設備、醫療和成像設備、高密度電源系統,以及IoT等。 


RECOM提供評估板RPX-2.5-EVM-1,可以選擇常用的輸出電壓、執行和評估远端控制和欠壓鎖定功能。评估板具备滤波器符合EN55032 Class B的要求,也提供了测试替代器件的位置以在工作條件和預算範圍內實現最佳的EMC性能。評估板有适当的散热设计以便評估RPX-2.5的全部性能。 


Samples and OEM pricing are available from all authorized distributors or directly from RECOM. 


[1] RECOM www.recom-power.com

[2] RPX data sheet Visit RPX serie 


来源:RECOM



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