保护您的小型传感器免受恶劣工业环境的影响
对24v输入电源的适当保护最好由能够承受60v输入的降压转换器来实现。我们引入了一种颠覆性的方法，通过基于uslic™技术的新颖、小型化、易于设计、高性能降压转换器模块来扩展输入电压额定值和功率密度包络。该电源模块是一款高效率、小尺寸、低emi降压转换器，非常适合为工业应用中的微型传感器供电。
介绍
传感器在电气恶劣的工业环境中无处不在。随着它们越来越复杂，尺寸越来越小，它们变得越来越复杂，需要板载开关稳压器更有效地提供电力，从而最大限度地减少热量产生。如何在高压工业环境中安全地为微型传感器提供低压电源，同时最大限度地减小解决方案尺寸并提高效率？在本设计解决方案中，我们将回顾典型的工业传感器架构，并为这一挑战提供创新的解决方案。
安全电源挑战
传感器“盒”包括一个前端收发器，用于处理数据并将电源路由到降压转换器，该转换器为 asic/微控制器/fpga 和传感元件提供适当的电压。传感器通常由 24v 直流电源 （v总线).电源路径如图2所示。
图2.传感器电源系统。
如果24v总线是干净的，或者电噪声水平低于前端开关稳压器的工作电压，则无需保护（图2中没有tvs），并且典型最大输入电压为36v或42v的降压转换器足以满足此传感器设计的需求。
然而，工厂车间可能是一个非常具有挑战性的环境，长电缆和强电磁干扰导致高压瞬变。因此，传感器内部的降压转换器必须承受远高于传感器工作电压的电压瞬变。
典型的传感器电源管理解决方案利用瞬态电压抑制器 （tvs） 来限制输入电压 （v抄送）的前端降压转换器。相关的输入电流峰值由电阻r减小p，电压瞬变源之间的电路径中的寄生或物理元件（v总线） 和传感器。
让我们看看如何从 littlefuse™ 目录中选择一个 tvs，例如。tvs的一般特性如图3所示。
图3.tvs v-i 特性。
tvs器件为开路，直到其两端的电压达到vbr.此时，它开始传导电流，同时其电压略微上升至其最大钳位电压vc，对应于最大允许峰值脉冲电流 i聚丙烯.产品五cx i聚丙烯是 tvs 可以处理的最大峰值功率（此 tvs 系列为 400w）。
为了有效保护，tvs vbr必须选择高于 v恒流（最大）而vc必须低于开关稳压器的输入电压击穿。
我们的v总线电源电压为 24v ±10%，最大值为 26.4v （v总线（最大）).目录中最接近的 tvs 选择是 smaj28a，最低电压为 28vbr、45.4v 最大箝位电压和 8.8a 最大峰值电流（图 4）。tvs电压和电压瞬变之间的三角形产生通过电阻的电流，rp，必须低于允许的最大值 i聚丙烯.
图4.最少的tvs选择。
我们的降压转换器必须承受24v的事实直流至少 45.4v 瞬态电压使一大组降压转换器无需考虑。
此外，通过上述选择，最大v之间只有1.6v的裕量总线和最小tvs电压（vbr).裕量越大，降压转换器的额定电压（v抄送） 远高于 45.4v。理想情况下，对于额定电压为 60v 的降压转换器，最小 v 的 smaj33abr可以使用33v（和钳位电压vc53.3v，远低于60v）。这提供了高于v的6.6v的工作裕量总线（最大）和低于 60v 的 6.7v（图 5）。
图5.理想的电视机选择。
传感器小型化挑战
对于传感器小型化，将所有降压转换器元件放在同一平面上的典型pcb策略并不理想。在图6中，300ma降压转换器ic和无源器件（l，r，c）需要很大的pcb面积（29.3mm2净面积）。
图6.典型平面降压实现（29.3mm2净面积）。
热挑战
传感器具有密封外壳（没有风扇或冷却），因为它们所处的环境恶劣。这个小外壳内产生的少量热量会迅速提高传感器温度，从而影响其可靠性。传感器小型化的趋势使其热管理更具挑战性。解决热挑战的解决方案是具有极高效率的降压转换器。
回顾上述问题：需要安装在小pcb区域内并具有60v击穿电压的高效降压稳压器才能安装在小型传感器内。
解决方案：uslic 电源模块
解决空间问题的一种新方法是将电感垂直集成在ic顶部。一个例子是喜马拉雅uslic电源模块。它在比以往更小的空间内提供更大的功率，具有高效率和易用性。uslic电源模块垂直集成了电感器和降压转换器ic，大大减少了标准降压转换器解决方案占用的pcb空间。这仍然符合高压耐受和高温操作的期望。maxm15064模块采用扁平、紧凑、10引脚、2.6mm x 3mm x 1.5mm uslic封装。该器件的工作温度范围为 -40°c 至 +125°c。
图8所示为maxm15064 300ma、60v降压转换器uslic大幅减小尺寸。能够满足60v的最大工作电压（不仅仅是绝对最大额定值）并支持低于1.8v的输出电压（以支持最新的数字ic），这是其显着特征。由于电感器的垂直集成，净元件面积仅为21mm2.
与图6所示的ic解决方案相比，uslic模块解决方案的净元件面积减少了28%。
图8.60v、300ma高压模块实现（21mm2净面积）。
最小发热
图9所示为maxm15064模块在5v输出和12v至60v输入电压下的效率。尽管尺寸很小，但降压转换器可提供高达90%的峰值高效率。对于24v供电的应用，uslic模块在大多数工作范围内提供远高于80%的效率，确保低功率损耗和低发热。
图9.使用uslic将产生的热量降至最低。
低排放
该模块的pcb布局旨在最大限度地减少走线长度，并消除接地回路，以实现最小的辐射发射。使用高频陶瓷电容器可最大限度地减少传导辐射。图10显示，maxm15064的辐射发射完全符合cispr22 b类规范。
图 10.辐射发射。
图11显示，maxm15064的传导辐射也完全符合cispr22 b类规范。
图 11.传导排放。
结论
我们讨论了为小型工业传感器应用提供更高功率、以最少的热量产生来安全提供更高功率的挑战。对24v输入电源的适当保护最好由能够承受60v输入的降压转换器来实现。最后，我们引入了一种颠覆性的方法，通过基于uslic技术的新型、小型化、易于设计、高性能降压转换器模块来扩展输入电压额定值和功率密度包络。maxm15064 uslic功率模块是一款高效率、小尺寸、低emi降压转换器，理想用于工业应用中的微型传感器供电。
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然而，工厂车间可能是一个非常具有挑战性的环境，长电缆和强电磁干扰导致高压瞬变。因此，传感器内部的降压转换器必须承受远高于传感器工作电压的电压瞬变。
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让我们看看如何从 littlefuse™ 目录中选择一个 tvs，例如。tvs的一般特性如图3所示。
图3.tvs v-i 特性。
tvs器件为开路，直到其两端的电压达到vbr.此时，它开始传导电流，同时其电压略微上升至其最大钳位电压vc，对应于最大允许峰值脉冲电流 i聚丙烯.产品五cx i聚丙烯是 tvs 可以处理的最大峰值功率（此 tvs 系列为 400w）。
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图4.最少的tvs选择。
我们的降压转换器必须承受24v的事实直流至少 45.4v 瞬态电压使一大组降压转换器无需考虑。
此外，通过上述选择，最大v之间只有1.6v的裕量总线和最小tvs电压（vbr).裕量越大，降压转换器的额定电压（v抄送） 远高于 45.4v。理想情况下，对于额定电压为 60v 的降压转换器，最小 v 的 smaj33abr可以使用33v（和钳位电压vc53.3v，远低于60v）。这提供了高于v的6.6v的工作裕量总线（最大）和低于 60v 的 6.7v（图 5）。
图5.理想的电视机选择。
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对于传感器小型化，将所有降压转换器元件放在同一平面上的典型pcb策略并不理想。在图6中，300ma降压转换器ic和无源器件（l，r，c）需要很大的pcb面积（29.3mm2净面积）。
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热挑战
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最小发热
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图 10.辐射发射。
图11显示，maxm15064的传导辐射也完全符合cispr22 b类规范。
图 11.传导排放。
结论
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