優(yōu)化隔離傳感器接口的功率轉(zhuǎn)換

在工業(yè)控制世界，有幾點(diǎn)是確定無疑的：下一款產(chǎn)品將具 有更小的尺寸、更多通道數(shù)，每通道的目標(biāo)成本更低。人 們期望，技術(shù)在上一個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品之后已有所改進(jìn)，所有這 些都是可能的。在很大程度上，過去就是這樣發(fā)展的，而 未來很可能仍然如此。

從光耦合器時(shí)代到最新的高速、低功耗、高集成度數(shù)字隔離器，數(shù)據(jù)接口一直在穩(wěn)步發(fā)展。本文將討論隔離傳感器 接口的一個(gè)本應(yīng)得到更多關(guān)注的方面。如何在縮小接口尺寸并提高性能的同時(shí)，將隔離電源提供給ADC和調(diào)理電路?過去，模擬接口板的通道數(shù)不多，因此板上有足夠的 空間可用來設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)腄C-DC轉(zhuǎn)換器，以便為傳感器接口提供電源。一個(gè)模塊只有一兩個(gè)接口，因此功耗不是什么 大問題。而目前，模擬PLC模塊(如圖1所示)能夠提供4 個(gè)、8個(gè)甚至16個(gè)獨(dú)立的隔離通道。多個(gè)大小適中的 DC-DC轉(zhuǎn)換器會(huì)占據(jù)很多空間，并產(chǎn)生很多熱量。

圖1. 典型多通道傳感器接口

圖1所示通用模擬接口為電源討論提供了一個(gè)很好的起點(diǎn)。 有源電路包括信號(hào)調(diào)理單元(例如運(yùn)算放大器或儀表放大 器)，以及集成了串行接口的ADC，可通過數(shù)字隔離器通道 實(shí)現(xiàn)與FPGA的接口。通常該電路所需功率遠(yuǎn)低于150 mW。

為傳感器接口提供電源的基本挑戰(zhàn)是優(yōu)化電源，使其在所 需功率范圍內(nèi)正常工作。0 mW至150 mW工作范圍意味著 構(gòu)成電源的控制器和反饋元件的固定靜態(tài)功耗會(huì)占所用總 功耗的較大部分，因此效率較低。表1中不同電源配置的 靜態(tài)電流值顯示了這一點(diǎn)。另外，許多簡單電源設(shè)計(jì)需要 一個(gè)最小負(fù)載才能正常工作，為使電源正常發(fā)揮作用，必 須將功率浪費(fèi)在持續(xù)阻性負(fù)載上。雖然在電路板上放置一 個(gè)555定時(shí)器和晶體管來獲得一定的功率很容易，但制作 一個(gè)高效、可靠、低功耗的電源則很困難。

在此功率范圍內(nèi)，有三種基本的DC-DC轉(zhuǎn)換器類型：

1. 非穩(wěn)壓開關(guān)電源或模塊

2. 穩(wěn)壓開關(guān)電源或模塊

3. 芯片級(jí)功率轉(zhuǎn)換器

采用這些電源結(jié)構(gòu)都會(huì)增加控制電路的復(fù)雜性，而前兩種 類型還需增加元器件數(shù)目和解決方案的尺寸。

1.非穩(wěn)壓電源

最簡單的解決方案是圖2所示的非穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。

圖2. 非穩(wěn)壓DC-DC模塊

該設(shè)計(jì)利用固定頻率、固定占空比輸入切換來產(chǎn)生副邊電 源，然后進(jìn)行整流和濾波。所選變壓器的額定隔離電壓必 須達(dá)到應(yīng)用要求。隔離要求越高，則變壓器越大(即PCB面 積越大、高度越高)。該解決方案的成本以變壓器為主，數(shù) 量合適的話，分立解決方案的成本低于1.00美元。

雖然成本很低，但負(fù)載和溫度范圍內(nèi)的輸出電壓變化可能 很大，模擬接口的模擬器件選擇將更加困難。模擬接口的 所有模擬器件都必須具有出色的電源抑制性能，負(fù)載不能 快速變化，否則就會(huì)引起電源大幅度改變。因此，器件成 本會(huì)提高，或者至少要花費(fèi)更多的設(shè)計(jì)時(shí)間，以評(píng)估解決 方案在極端情況下的表現(xiàn)。非穩(wěn)壓電源的效率可能相當(dāng) 高，但電源質(zhì)量很低。

2穩(wěn)壓電源和模塊

穩(wěn)壓電源提供更好的輸出特性。圖3顯示一個(gè)1 W功率范圍 內(nèi)的典型DC-DC模塊。

圖3. 穩(wěn)壓DC-DC模塊

與上述非穩(wěn)壓電源示例類似，控制器將功率切換到變壓器 中。選擇適當(dāng)?shù)淖儔浩鞴β仕胶驮褦?shù)比，以便在最大負(fù) 載下提供充足的電壓，使得LDO能夠?qū)⑤敵鲭妷赫{(diào)節(jié)到穩(wěn) 定的水平。該方案的電源效率在高負(fù)載下非常好，在低負(fù) 載下則很差，而后者正是模擬接口應(yīng)用的運(yùn)行情況。

有許多有源穩(wěn)壓方案可以提高全負(fù)載范圍內(nèi)的效率，但需 要復(fù)雜得多的控制電路，而且大部分方案需要在隔離柵上 建立一個(gè)反饋通道。這會(huì)大幅增加設(shè)計(jì)的成本和尺寸，一 般不適合此功率范圍內(nèi)的模塊。

由于難以將變壓器整合到組件中，因此這些電源的集成并 未超出密封模塊或PCB子卡。制造商在縮小這些器件的尺 寸方面取得的成功非常有限。

3芯片級(jí)轉(zhuǎn)換器

芯片級(jí)變壓器技術(shù)是ADI公司針對(duì)iCoupler®數(shù)字隔離器產(chǎn) 品而開發(fā)的，基于該技術(shù)已產(chǎn)生一類新型DC-DC轉(zhuǎn)換器。 該技術(shù)非常適合低功耗高性能電源設(shè)計(jì)。變壓器為“空 芯”，也就是說變壓器中不存在磁性材料。這意味著，這 些微型變壓器在大約125 MHz時(shí)具有最高的Q。開關(guān)頻率 如此之高，因而無法通過改變開關(guān)信號(hào)的占空比來控制功 率。相反，控制電路通過選通和開關(guān)整個(gè)振蕩器來調(diào)節(jié)副 邊電壓。

變壓器非常小，足以集成到采用內(nèi)分引腳架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)IC封裝中。在隔離柵兩側(cè)，正向電源和輸出反饋所需的全部器 件都可以集成到一對(duì)芯片中，無需外部分立器件，并且可 以實(shí)現(xiàn)多種高級(jí)特性。芯片級(jí)功率轉(zhuǎn)換器能夠集成完全穩(wěn) 壓DC-DC電源的全部功能，在低負(fù)載情況下具有緊湊型的 穩(wěn)壓特性和良好的效率。

圖4.ADuM5010芯片級(jí)轉(zhuǎn)換器

4比較

下面通過一些實(shí)際例子來說明上述設(shè)計(jì)的區(qū)別。表1顯示 兩個(gè)電源模塊和一個(gè)芯片級(jí)轉(zhuǎn)換器的特性對(duì)比。所選TI模 塊為最常見的模塊，功率范圍為傳感器接口要求中規(guī)定的 0 mW至150 mW。

表1. 技術(shù)對(duì)比

大部分設(shè)計(jì)師需要實(shí)現(xiàn)高電源效率的設(shè)計(jì)。表1中，非穩(wěn) 壓解決方案的效率最高，但選擇該方案也有弊端。此模塊 的額定功率為1 W，但其數(shù)據(jù)手冊(cè)連100 mW以下的性能都 未給出。事實(shí)很可能是這樣：輸出電壓顯著高于額定值， 效率迅速降低。

效率第二的是穩(wěn)壓模塊。它設(shè)計(jì)用于輕負(fù)載，具有良好的 特性。然而，仔細(xì)對(duì)比芯片級(jí)轉(zhuǎn)換器，分析穩(wěn)壓模塊的效 率，由圖5可見，由于芯片級(jí)轉(zhuǎn)換器集成有源反饋調(diào)節(jié)， 其效率能夠更快地上升至最終值，因此在0 mA和15 mA的 負(fù)載范圍內(nèi)，芯片級(jí)解決方案事實(shí)上更有效。這基本上就 是最初模擬接口定義中的目標(biāo)范圍了。因此，盡管芯片級(jí) 解決方案的最大效率最低，它依然是一個(gè)較好的選擇。

圖5. DC-DC穩(wěn)壓模塊與芯片級(jí)轉(zhuǎn)換器的效率對(duì)比

解決方案尺寸是下一個(gè)比較點(diǎn)。模塊解決方案在PCB上的 面積均為180 mm2，非穩(wěn)壓模塊的高度是10 mm，因此它不 僅要占用電路板空間，而且很可能是板上最高的部分，決 定模塊的理論外殼尺寸。明智的選擇同樣是采用薄型 SSOP20 JEDEC標(biāo)準(zhǔn)封裝、尺寸為55 mm2，并且添加一些旁 路電容和兩個(gè)電阻的芯片級(jí)模塊。

穩(wěn)壓方案相對(duì)于非穩(wěn)壓方案的優(yōu)勢(shì)與模擬前端的ADC和放 大器的電源抑制性能有關(guān)。穩(wěn)壓能力越強(qiáng)，則選擇測(cè)量器 件的靈活性越大，而不是局限于那些具有最佳電源抑制性 能的器件。

模塊式/分立解決方案與芯片級(jí)解決方案的最后一個(gè)區(qū)別因 素是工作頻率。開關(guān)電流會(huì)給電源帶來噪聲和紋波。很多 情況下，模塊的工作頻率范圍是200 kHz到1 MHz，與許多 傳感器應(yīng)用的采樣速率相當(dāng)。必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波 或消除混疊，防止其受到電源噪聲影響。芯片級(jí)解決方案 的原邊功率振蕩器的工作頻率在125 MHz，遠(yuǎn)高于多數(shù)工業(yè) 傳感器ADC的采樣頻率。雖然功率振蕩器的PWM控制仍 會(huì)引起紋波，但最大噪聲源高于ADC的帶寬，可將其輕松 濾除。

5芯片級(jí)轉(zhuǎn)換器的額外優(yōu)勢(shì)

僅就尺寸效率而言，芯片級(jí)轉(zhuǎn)換器非常適合該應(yīng)用。但該 技術(shù)還有許多其他優(yōu)點(diǎn)。下面將詳細(xì)介紹新型隔離功率轉(zhuǎn) 換器ADuM5010。此器件能在模擬接口要求的低功耗范圍 內(nèi)提供電信用DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能。

1. 無限可調(diào)的輸出電壓。ADuM5010通過副邊的分壓器設(shè) 置輸出電壓。其范圍為3.15 V至5.5 V。許多模擬ADC和 運(yùn)算放大器采用非標(biāo)準(zhǔn)電源軌供電，因此可以調(diào)整電壓 以獲得最佳電源條件。

2. 熱關(guān)斷功能可在短路過載情況下保護(hù)電源，尤其是在芯 片溫度可能超過最高限值的高環(huán)境溫度下。熱關(guān)斷跳變 點(diǎn)為154°C，芯片必須比它低10°C以上，器件才能自動(dòng) 重啟。電源重啟不需要任何外部處理器干預(yù)。

3. 施加電源時(shí)，通過在原邊控制PWM實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。這 樣，器件啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流可忽略不計(jì)。多個(gè)器件同時(shí) 啟動(dòng)時(shí)，浪涌電流可能會(huì)壓倒較弱直流輸入電源軌，導(dǎo) 致無法預(yù)測(cè)的行為。

4. 利用原邊電源禁用功能，可以將轉(zhuǎn)換器關(guān)斷到功耗極低 的待機(jī)狀態(tài)。此特性結(jié)合軟啟動(dòng)可實(shí)現(xiàn)省電方案，在測(cè) 量間歇關(guān)閉傳感器的電源。

5. 原邊輸入電源具有欠壓閉鎖(UVLO)功能。此特性可防 止轉(zhuǎn)換器以低輸入電源軌啟動(dòng)。這樣， 在下游 ADuM5010嘗試取電之前，輸入電源可以有效充電。

6. 全面隔離認(rèn)證。模塊的類型測(cè)試要求可以降低，并且可 以消除生產(chǎn)期間的在線測(cè)試

6結(jié)論

針對(duì)大多數(shù)PLC應(yīng)用設(shè)計(jì)的模擬傳感器接口，應(yīng)用時(shí)需要 對(duì)數(shù)字通信和電源進(jìn)行隔離。其功率水平非常低，低于大 部分DC-DC轉(zhuǎn)換器以高效率和可預(yù)測(cè)方式正常工作的范 圍。不過，經(jīng)過精密調(diào)節(jié)并表現(xiàn)良好的電源對(duì)接口非常有 益。隔離式芯片級(jí)轉(zhuǎn)換器ADuM5010非常適合隔離模擬輸 入的要求，功耗150 mW，并提供一般只有高功率DC-DC轉(zhuǎn) 換器才具備的特性組合。在功率與隔離數(shù)據(jù)通道相結(jié)合的 系列器件中，此器件是僅提供功率的型號(hào)。ADuM521x雙 數(shù)據(jù)通道器件支持?jǐn)?shù)據(jù)接口集成，從而節(jié)省更多空間。該 系列還將繼續(xù)推出更高通道數(shù)器件，以便工程師只需進(jìn)行 極少的設(shè)計(jì)工作就能安全且輕松地應(yīng)用電源。