對24V輸入電源的適當保護最好由能夠承受60V輸入的降壓轉換器來實現。我們引入了一種顛覆性的方法，通過基于uSLIC?技術的新穎、小型化、易于設計、高性能降壓轉換器模塊來擴展輸入電壓額定值和功率密度包絡。該電源模塊是一款高效率、小尺寸、低EMI降壓轉換器，非常適合為工業應用中的微型傳感器供電。

介紹

傳感器在電氣惡劣的工業環境中無處不在。隨著它們越來越復雜，尺寸越來越小，它們變得越來越復雜，需要板載開關穩壓器更有效地提供電力，從而最大限度地減少熱量產生。如何在高壓工業環境中安全地為微型傳感器提供低壓電源，同時最大限度地減小解決方案尺寸并提高效率？在本設計解決方案中，我們將回顧典型的工業傳感器架構，并為這一挑戰提供創新的解決方案。

安全電源挑戰

傳感器“盒”包括一個前端收發器，用于處理數據并將電源路由到降壓轉換器，該轉換器為 ASIC/微控制器/FPGA 和傳感元件提供適當的電壓。傳感器通常由 24V 直流電源 （V總線).電源路徑如圖2所示。

圖2.傳感器電源系統。

如果24V總線是干凈的，或者電噪聲水平低于前端開關穩壓器的工作電壓，則無需保護（圖2中沒有TVS），并且典型最大輸入電壓為36V或42V的降壓轉換器足以滿足此傳感器設計的需求。

然而，工廠車間可能是一個非常具有挑戰性的環境，長電纜和強電磁干擾導致高壓瞬變。因此，傳感器內部的降壓轉換器必須承受遠高于傳感器工作電壓的電壓瞬變。

典型的傳感器電源管理解決方案利用瞬態電壓抑制器 （TVS） 來限制輸入電壓 （V抄送）的前端降壓轉換器。相關的輸入電流峰值由電阻R減小P，電壓瞬變源之間的電路徑中的寄生或物理元件（V總線） 和傳感器。

讓我們看看如何從 Littlefuse? 目錄中選擇一個 TVS，例如。TVS的一般特性如圖3所示。

圖3.TVS V-I 特性。

TVS器件為開路，直到其兩端的電壓達到VBR.此時，它開始傳導電流，同時其電壓略微上升至其最大鉗位電壓VC，對應于最大允許峰值脈沖電流 I聚丙烯.產品五Cx I聚丙烯是 TVS 可以處理的最大峰值功率（此 TVS 系列為 400W）。

為了有效保護，TVS VBR必須選擇高于 V恒流（最大）而VC必須低于開關穩壓器的輸入電壓擊穿。

我們的V總線電源電壓為 24V ±10%，最大值為 26.4V （V總線（最大）).目錄中最接近的 TVS 選擇是 SMAJ28A，最低電壓為 28VBR、45.4V 最大箝位電壓和 8.8A 最大峰值電流（圖 4）。TVS電壓和電壓瞬變之間的三角形產生通過電阻的電流，RP，必須低于允許的最大值 I聚丙烯.

圖4.最少的TVS選擇。

我們的降壓轉換器必須承受24V的事實直流至少 45.4V 瞬態電壓使一大組降壓轉換器無需考慮。

此外，通過上述選擇，最大V之間只有1.6V的裕量總線和最小TVS電壓（VBR).裕量越大，降壓轉換器的額定電壓（V抄送） 遠高于 45.4V。理想情況下，對于額定電壓為 60V 的降壓轉換器，最小 V 的 SMAJ33ABR可以使用33V（和鉗位電壓VC53.3V，遠低于60V）。這提供了高于V的6.6V的工作裕量總線（最大）和低于 60V 的 6.7V（圖 5）。

圖5.理想的電視機選擇。

傳感器小型化挑戰

對于傳感器小型化，將所有降壓轉換器元件放在同一平面上的典型PCB策略并不理想。在圖6中，300mA降壓轉換器IC和無源器件（L，R，C）需要很大的PCB面積（29.3mm2凈面積）。

圖6.典型平面降壓實現（29.3mm2凈面積）。

熱挑戰

傳感器具有密封外殼（沒有風扇或冷卻），因為它們所處的環境惡劣。這個小外殼內產生的少量熱量會迅速提高傳感器溫度，從而影響其可靠性。傳感器小型化的趨勢使其熱管理更具挑戰性。解決熱挑戰的解決方案是具有極高效率的降壓轉換器。

回顧上述問題：需要安裝在小PCB區域內并具有60V擊穿電壓的高效降壓穩壓器才能安裝在小型傳感器內。

解決方案：uSLIC 電源模塊

解決空間問題的一種新方法是將電感垂直集成在IC頂部。一個例子是喜馬拉雅uSLIC電源模塊。它在比以往更小的空間內提供更大的功率，具有高效率和易用性。uSLIC電源模塊垂直集成了電感器和降壓轉換器IC，大大減少了標準降壓轉換器解決方案占用的PCB空間。這仍然符合高壓耐受和高溫操作的期望。MAXM15064模塊采用扁平、緊湊、10引腳、2.6mm x 3mm x 1.5mm uSLIC封裝。該器件的工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。

圖8所示為MAXM15064 300mA、60V降壓轉換器uSLIC大幅減小尺寸。能夠滿足60V的最大工作電壓（不僅僅是絕對最大額定值）并支持低于1.8V的輸出電壓（以支持最新的數字IC），這是其顯著特征。由于電感器的垂直集成，凈元件面積僅為21mm2.

與圖6所示的IC解決方案相比，uSLIC模塊解決方案的凈元件面積減少了28%。

圖8.60V、300mA高壓模塊實現（21mm2凈面積）。

最小發熱

圖9所示為MAXM15064模塊在5V輸出和12V至60V輸入電壓下的效率。盡管尺寸很小，但降壓轉換器可提供高達90%的峰值高效率。對于24V供電的應用，uSLIC模塊在大多數工作范圍內提供遠高于80%的效率，確保低功率損耗和低發熱。

圖9.使用uSLIC將產生的熱量降至最低。

低排放

該模塊的PCB布局旨在最大限度地減少走線長度，并消除接地回路，以實現最小的輻射發射。使用高頻陶瓷電容器可最大限度地減少傳導輻射。圖10顯示，MAXM15064的輻射發射完全符合CISPR22 B類規范。

圖 10.輻射發射。

圖11顯示，MAXM15064的傳導輻射也完全符合CISPR22 B類規范。

圖 11.傳導排放。

結論

我們討論了為小型工業傳感器應用提供更高功率、以最少的熱量產生來安全提供更高功率的挑戰。對24V輸入電源的適當保護最好由能夠承受60V輸入的降壓轉換器來實現。最后，我們引入了一種顛覆性的方法，通過基于uSLIC技術的新型、小型化、易于設計、高性能降壓轉換器模塊來擴展輸入電壓額定值和功率密度包絡。MAXM15064 uSLIC功率模塊是一款高效率、小尺寸、低EMI降壓轉換器，理想用于工業應用中的微型傳感器供電。

審核編輯：郭婷