優(yōu)化隔離式傳感器接口的功率轉(zhuǎn)換

在工業(yè)控制領(lǐng)域，只有幾件事是確定的;下一個產(chǎn)品將具有更小的外形尺寸，更多的通道，并且每個通道的目標成本更低。期望自上次設(shè)計以來，技術(shù)已經(jīng)改進，所有這些都是可能的。在很大程度上，這就是過去事情的發(fā)展方式，你的運氣可能很好。

從光耦合器時代到最新的高速低功耗、緊湊型數(shù)字隔離器，數(shù)據(jù)接口一直在穩(wěn)步改進。在本文中，我們將研究隔離傳感器接口的一個方面，該接口受到的關(guān)注比應(yīng)有的少。我們?nèi)绾螢?a href="http://srfitnesspt.com/tags/adc/" target="_blank">ADC和調(diào)理電路提供隔離電源，同時縮小接口尺寸并提高性能？過去，模擬接口板的通道數(shù)不高，因此電路板上有足夠的空間來設(shè)計一個適度的DC-DC轉(zhuǎn)換器，以便為傳感器接口供電。功耗不是大問題，因為一個模塊只有一個或兩個接口。目前，如圖1所示，模擬PLC模塊可以有16個、<>個甚至<>個獨立的隔離通道。適度的DC-DC轉(zhuǎn)換器的多個副本會占用大量空間并產(chǎn)生大量熱量。

圖1.典型的多通道傳感器接口

從討論功耗開始的好地方是使用通用模擬接口，如圖1所示。有源電路由一個信號調(diào)理元件（如運算放大器或儀表放大器）和一個帶有串行接口的ADC組成，該串行接口可通過數(shù)字隔離器通道與FPGA接口。該電路通常需要明顯低于150 mW的功率。

為傳感器接口供電的基本挑戰(zhàn)是優(yōu)化電源，使其在所需的功率范圍內(nèi)正常工作。在0 mW至150 mW下工作意味著構(gòu)成電源的控制器和反饋元件的固定靜態(tài)功耗將占所用總功率的很大一部分，因此效率會降低。這可以從表1中各種電源配置的靜態(tài)電流值中看出?；蛘撸S多簡單的電源設(shè)計需要最小負載才能正常工作，因此必須將功率浪費在阻性死負載中，以確保電源正常工作。雖然將555定時器和晶體管放在電路板上并獲得一些功率非常簡單，但很難制造出在低功率水平下工作的高效可靠的電源。

此功率范圍使用的DC-DC轉(zhuǎn)換器有三種基本類別：

非穩(wěn)壓開關(guān)電源或模塊

穩(wěn)壓開關(guān)電源或模塊

芯片級電源轉(zhuǎn)換器

這些電源架構(gòu)中的每一個都需要增加控制電路的復(fù)雜性，并且在前兩個選項中，需要增加元件數(shù)量和解決方案尺寸

不受管制的電源

最簡單的解決方案是非穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，如圖2所示。

圖2.非穩(wěn)壓直流-直流模塊

該設(shè)計使用固定頻率固定占空比輸入開關(guān)來創(chuàng)建經(jīng)過整流和濾波的次級側(cè)電源。所選變壓器的額定隔離電壓需要達到應(yīng)用所需的隔離電壓。隔離要求越高，變壓器的PCB尺寸和高度就越大。該解決方案的成本由變壓器主導(dǎo)，因此在合理的體積下，分立解決方案的成本低于1.00美元。

實現(xiàn)低成本的代價是輸出電壓隨負載和溫度的變化很大，這使得模擬接口的模擬元件的選擇更加困難。模擬接口中的所有模擬元件必須具有出色的電源抑制性能，并且負載不能快速變化，否則可能會引起明顯的電源變化。這會導(dǎo)致更高的組件成本，或者至少需要更多的工程時間來評估極端條件下的解決方案。非穩(wěn)壓電源可以具有相當高的效率，但電源質(zhì)量較低。

穩(wěn)壓電源和模塊

穩(wěn)壓電源提供更好的輸出特性。圖3顯示了1 W功率范圍內(nèi)的典型DC-DC模塊。

圖3.穩(wěn)壓直流至直流模塊

控制器將電源切換到變壓器，類似于上面的非穩(wěn)壓示例。選擇變壓器的功率電平和匝數(shù)比是為了在最大負載下提供足夠的電壓，使LDO能夠?qū)⑤敵鲭妷赫{(diào)節(jié)到穩(wěn)定的水平。該方案在高負載下具有良好的功率效率，但在低負載時效率較差。這正是我們的模擬接口應(yīng)用程序運行的地方。

有許多有源穩(wěn)壓方案可以在整個負載范圍內(nèi)實現(xiàn)更高的效率，但它們需要更復(fù)雜的控制電路，并且大多數(shù)都需要跨越隔離柵的反饋通道。這大大增加了設(shè)計的成本和尺寸，對于此功率范圍內(nèi)的模塊，通常不會這樣做。

由于難以將變壓器集成到組件中，這些電源的集成尚未超過灌封模塊或PCB子卡。制造商在減小這些設(shè)備的尺寸方面取得了有限的成功。

芯片級轉(zhuǎn)換器

ADI公司為i耦合器數(shù)字隔離器產(chǎn)品開發(fā)的芯片級變壓器技術(shù)創(chuàng)造了一類新的DC-DC轉(zhuǎn)換器。該技術(shù)非常適合低功耗、高功能電源設(shè)計。變壓器是“空氣芯”，這意味著變壓器中不存在磁性材料。這意味著這些微型變壓器的最高Q值約為125 MHz。開關(guān)頻率如此之高，以至于改變開關(guān)信號的占空比來控制功率是不切實際的。相反，控制電路對整個振蕩器進行柵極和導(dǎo)通，以調(diào)節(jié)次級振蕩器的電壓。?

變壓器足夠小，可以集成到具有內(nèi)部分離引線框架的標準IC封裝中。隔離柵兩側(cè)的正向功率和輸出反饋所需的所有組件都可以集成到一對硅芯片中，無需分立的外部組件，并允許實現(xiàn)高級功能。芯片級電源轉(zhuǎn)換器可以包含完全穩(wěn)壓DC-DC電源的所有功能，在低負載條件下提供嚴格的穩(wěn)壓和良好的效率。

圖4.ADuM5010芯片級轉(zhuǎn)換器

比較

讓我們看一些實際的例子來說明我們討論過的設(shè)計之間的差異。表1顯示了兩個功率模塊和一個芯片級轉(zhuǎn)換器的特性比較。所選的 TI 模塊是最接近傳感器接口要求中確定的 0 mW 至 150 mW 范圍的常用模塊。

大多數(shù)設(shè)計人員需要做出節(jié)能設(shè)計。表1中跳出的是非穩(wěn)壓解決方案的效率，但選擇該解決方案存在缺點。該模塊的額定功率為1 W，其數(shù)據(jù)手冊甚至沒有將其性能評為低于100 mW。輸出電壓很可能明顯高于額定值，效率迅速下降。

下一個最高效率是穩(wěn)壓模塊。它的額定值可在輕負載下使用，并且性能良好。但是，如果我們實際查看穩(wěn)壓模塊與芯片級轉(zhuǎn)換器的效率，圖5顯示，由于芯片級轉(zhuǎn)換器具有有源反饋調(diào)節(jié)功能，因此其效率上升到最終值的速度要快得多，因此在0 mA至15 mA負載之間，芯片級解決方案實際上效率更高。這是原始模擬接口定義中確定的大部分目標范圍。因此，芯片級解決方案是更好的選擇，即使它的最大效率最低。

圖5.DC-DC穩(wěn)壓模塊的效率與芯片級轉(zhuǎn)換器的比較

解決方案大小是下一個比較點。模塊化解決方案均為 180 mm2在PCB上，未穩(wěn)壓模塊實際上有10毫米高，不僅占用電路板空間，而且可能是電路板上最高的項目，決定了我們理論模塊的外殼尺寸。同樣，顯而易見的選擇是采用薄型SSOP20 JEDEC標準封裝的芯片級模塊，尺寸為55 mm2，加上一些旁路電容器和兩個電阻器。

與非穩(wěn)壓解決方案相比，選擇穩(wěn)壓解決方案的優(yōu)勢在于模擬前端ADC和放大器的電源抑制。更好的調(diào)節(jié)允許在選擇完成所需測量工作的組件時具有更大的靈活性，而不是將選擇限制在具有最佳電源抑制數(shù)的器件上。

模塊化和分立式解決方案與芯片級解決方案之間的最后一個區(qū)別因素是工作頻率。開關(guān)電流會在電源上產(chǎn)生噪聲和紋波。在許多情況下，模塊的工作頻率范圍為200 kHz至1 Mhz，這與許多傳感器應(yīng)用的頻率采樣率相對應(yīng)。必須注意正確濾除或消除電源噪聲中的數(shù)據(jù)。芯片級解決方案的主功率振蕩器運行頻率為125 MHz，遠高于大多數(shù)工業(yè)傳感器ADC的采樣頻率。由于功率振蕩器的PWM控制，仍然存在紋波，但最大的噪聲源高于ADC的帶寬，并且易于濾除。

芯片級轉(zhuǎn)換器的其他優(yōu)勢

僅基于尺寸效率，芯片級轉(zhuǎn)換器是此應(yīng)用的不錯選擇。但是，該技術(shù)還有許多其他優(yōu)點。讓我們詳細了解新型隔離式電源轉(zhuǎn)換器ADuM5010。該器件可在模擬接口所需的低功率范圍內(nèi)提供電信DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能。

輸出電壓無級可調(diào)。ADuM5010通過副邊的分壓器設(shè)置輸出電壓。電壓范圍為3.15 V至5.5 V。許多模擬ADC和運算放大器采用非標準電源軌工作，因此可以調(diào)節(jié)電壓以利用最佳電源條件。

熱關(guān)斷功能可在短路過載條件下保護電源，尤其是在可能超過最大芯片溫度的高環(huán)境溫度下。熱關(guān)斷在154°C時跳閘，芯片必須冷卻10°C，器件才會自動重啟。無需外部處理器干預(yù)即可重新啟動電源。

軟啟動是通過PWM的初級側(cè)控制來實現(xiàn)的。這允許該器件以可忽略不計的浪涌電流開始。當多個器件同時啟動時，浪涌電流會壓倒弱的直流輸入電源軌，并導(dǎo)致不可預(yù)測的操作。

初級側(cè)電源禁用允許轉(zhuǎn)換器關(guān)斷至非常低的待機狀態(tài)。此功能與軟啟動相結(jié)合，可以實現(xiàn)節(jié)能方案，在測量之間關(guān)閉傳感器的電源。

初級側(cè)輸入電源上的欠壓鎖定 （UVLO）。該特性可防止轉(zhuǎn)換器在低輸入電源軌下啟動。這允許輸入電源在下游ADuM5010嘗試耗電之前進行大量充電。

完全認證的隔離。這可以減少模塊的型式測試，并消除生產(chǎn)過程中的在線測試。

結(jié)論

模擬傳感器接口應(yīng)用專為大多數(shù)PLC應(yīng)用而設(shè)計，需要隔離數(shù)字通信和電源。功率水平非常低，低于大多數(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換器可以高效且可預(yù)測地工作。但是，該接口從具有良好調(diào)節(jié)和性能良好的電源中受益匪淺。ADuM5010隔離式芯片級轉(zhuǎn)換器非常適合隔離式模擬輸入的要求，具有150 mW功率和一組通常只有高功率DC-DC轉(zhuǎn)換器才具備的特性。該器件是將電源與隔離數(shù)據(jù)通道相結(jié)合的器件系列的純電源版本。ADuM521x雙通道數(shù)據(jù)通道器件允許將數(shù)據(jù)接口組合在一起，從而節(jié)省更多空間。隨著線路的發(fā)展，通道數(shù)較高的設(shè)備將填充該線路。這允許以最少的設(shè)計工作安全簡單地施加電源。

審核編輯：郭婷