隔離型µModule電源轉(zhuǎn)換器改善了信號測量準(zhǔn)確度

引言
    對于因變化不定的電位所引起的接地平面中的擾動 (常被稱為接地環(huán)路) 而言，正確實施的電流隔離是一種有效的防護(hù)舉措。由于物理限制的原因，PCB 上的電氣組件必需在不同的物理位置與接地平面相連。因此，當(dāng)每個組件的接地平面連線與電路板的寄生元件共同作用時，就會產(chǎn)生大量的變動電位。誘發(fā)接地環(huán)路的另一個重要因素是由大電流電機、泵、開關(guān)穩(wěn)壓器和數(shù)字處理器所產(chǎn)生的傳導(dǎo) EMI，它們的特性是功率需求變化很快，電流常常達(dá)幾十安培 (圖 1)。這些接地平面擾動會導(dǎo)致重大的測量誤差。測量傳感器所在位置的接地電位與 ADC 進(jìn)行模擬信號至數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的位置之的接地電位可能并不相同。于是，最終產(chǎn)生的數(shù)字信號會由于兩個接地電位之間存在電壓差而出現(xiàn)歪斜失真。雖然從理論上說可以在信號處理器上對此電壓差施加補償，然而，由于其鄰近負(fù)載的電流消耗不斷變化，因此該接地電位差的大小將隨著時間的推移而改變。面對這種情況，實施補償充其量也不過是一種令人倍感棘手的提議。再者，采用電流隔離還可保護(hù)下游器件免遭可能具有破壞性的電源軌瞬變或短路事件的損壞。

電流隔離應(yīng)用
    將一個大型控制系統(tǒng)電路設(shè)計劃分為若干較小的電流隔離分區(qū)，這是一種防避組件遭受電氣過應(yīng)力損壞之風(fēng)險的巧妙策略。隔離勢壘能夠阻止任何帶電粒子的傳輸，因此各分區(qū)之間的通信將采用其他的方法進(jìn)行，例如：光、無線、電容性或磁性等方式。任何電源軌和 / 或接地擾動都可以輕而易舉地?fù)p壞由 ADC、放大器、電壓基準(zhǔn)和換能器組成的 5V 或更低電壓的低功率傳感器單元，這些組件的綜合功耗常常低于 1W (具體數(shù)值取決于其性能)。作為一種預(yù)防措施，加進(jìn)了 500VAC (約 710VDC) 的電流隔離，以在短路故障導(dǎo)致輸入電源電壓超過組件的絕對最大額定電壓的情況下對這些器件提供保護(hù)。假如發(fā)生此類故障，則其造成的損壞將被限制在整個控制系統(tǒng)的一個小的分區(qū)或部分之中。此外，還最大限度地抑制了接地擾動，有關(guān)內(nèi)容將在下一節(jié)中討論。這樣，受損的分區(qū)就可以作為標(biāo)準(zhǔn)的“現(xiàn)成有售”替換單元進(jìn)行備置或采購，從而省時省力地實現(xiàn)系統(tǒng)的全面恢復(fù)。

圖 1：將敏感的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、放大器及基準(zhǔn)的電源和
地電壓軌與其他大電流電源通路相隔離，可改善信號分辨率和可靠性。

功率的正確平衡
    通過在可提供一個較干凈和更穩(wěn)定地電位系統(tǒng)的噪聲大電流和低電流部分之間建立一個電勢壘，隔離型電源轉(zhuǎn)換器能夠保持信號準(zhǔn)確度。特別地，輸出功率低于 2W 的隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可為由一個放大器、ADC、換能器及電壓基準(zhǔn)組成的一個或更多的傳感器單元提供充足的功率 (圖 2)。當(dāng)隔離分區(qū)消耗的功率超過 2W 時，則有可能開始經(jīng)受同樣的接地環(huán)路問題，這首先要求采取電流隔離。不僅如此，隨著隔離分區(qū)復(fù)雜性的增加，其內(nèi)部的附加導(dǎo)線和 PCB 印制線對于電噪聲發(fā)生源 (例如：來自鄰近電子線路的輻射 EMI) 變得愈發(fā)敏感。如果擁有一個由隔離勢壘提供保護(hù)的穩(wěn)定接地平面，傳感器單元就能提供更加準(zhǔn)確的讀數(shù)，從而改善系統(tǒng)控制。甚至可以把準(zhǔn)確度提高到允許利用較高分辨率 ADC 實現(xiàn)系統(tǒng)性能升級的地步。

圖 2：一個由放大器、ADC、換能器和基準(zhǔn)組成的
傳感器單元中每個組件的功耗范圍。總功耗低于 1W。

傳統(tǒng)隔離型轉(zhuǎn)換器的局限性
    500VAC (約 710VDC) 隔離所采用的傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換器支持工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用的能力有限。其中許多電源轉(zhuǎn)換器的最大內(nèi)部工作溫度為 +85°C。把內(nèi)部功率損失與封裝熱阻的影響考慮進(jìn)去，當(dāng)環(huán)境溫度介于 +50°C 至 +65°C 之間時，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的輸出功率可能就要開始降額使用了，所留的余量極小。雖然冷卻系統(tǒng)可以提供一定的幫助，但又會帶來其他的問題，涉及到成本、尺寸和可靠性 (倘若風(fēng)扇失靈) 等諸多方面。其他的隔離型解決方案需要一個準(zhǔn)確度為 ±10% 的 12V 或 24V 輸入，這與未調(diào)整電源或可用電壓范圍變化幅度達(dá) ±12% 至 ±14% 的工業(yè)鋰離子電池是不兼容的。雖然傳統(tǒng)隔離型轉(zhuǎn)換器可提供諸如 3.3V 和 5V 的常用固定輸出電壓，但對于外部 3.3V 或 5V 基準(zhǔn)以及相似輸出電壓 LDO 后置穩(wěn)壓器的 0.1V 或更大的壓差電壓，它們均不具備任何與之相適應(yīng)的靈活性。可通過實現(xiàn)后者 (即 LDO 后置穩(wěn)壓器) 來減小 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電源紋波。隨著控制系統(tǒng)變得日益復(fù)雜，需要采用額外的隔離傳感器分區(qū)來支持?jǐn)?shù)目更多的信號通道，以提供有關(guān)系統(tǒng)性能的深層信息。與此同時，由于板級空間十分有限，因而需要尺寸較小的解決方案 (在較小的空間里集成更多的功能特性)。隔離型 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器的新進(jìn)展解決了上述問題。

傳統(tǒng)隔離型轉(zhuǎn)換器的局限性：

• +85°C 的最大內(nèi)部工作溫度限制了高溫工業(yè)環(huán)境中的輸出功率

• ±10% 的輸入電源準(zhǔn)確度要求導(dǎo)致無法采用未調(diào)整電源或者在使用壽命期間電壓變化幅度達(dá) ±14% 的電池來工作

• 在內(nèi)部固定的輸出電壓不適應(yīng) 3.3V / 5V 輸出電壓基準(zhǔn)及 LDO 后置穩(wěn)壓器的壓差電壓

新型 500VAC (約 710VDC) 隔離式轉(zhuǎn)換器
    應(yīng)對上述局限性的一種解決方案是 LTM8048，這是一款 725VDC 隔離型 μModule® 電源轉(zhuǎn)換器。作為一款節(jié)省空間的 1.5W 輸出解決方案，LTM8048 將電源開關(guān)、控制器、變壓器和補償電路內(nèi)置于一個 9 x 11.25 x 4.92mm BGA 封裝之中，只需極少的外部組件 (圖 3)。與傳統(tǒng)的隔離型電源解決方案相比，這款轉(zhuǎn)換器在工作溫度、輸入和輸出電壓范圍等指標(biāo)上有所改進(jìn)。額定功率為 1.5W 的 LTM8048 保證能在高達(dá) +125°C 的內(nèi)部溫度條件下運作，可更好地適應(yīng)工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用的工作環(huán)境，例如：自然資源輸送基礎(chǔ)設(shè)施、渦輪、電池管理和安保設(shè)備。3.1V 至 32V 的寬輸入電源電壓范圍允許 LTM8048 直接采用不太昂貴的未調(diào)整開關(guān)電源或各種各樣的電池組來供電。而且，轉(zhuǎn)換器的主端輸入電壓還可以高于、等于或低于副端上的期望輸出電壓。一個內(nèi)部 LDO 負(fù)責(zé)提供介于 1.2V 至 12V 之間的任何輸出電壓，此電壓可簡單地通過在 LTM8048 的反饋引腳與副端地之間布設(shè)合適的電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出電壓的紋波小于 1mV，可為 ADC 和模擬傳感器提供一個穩(wěn)定的電源軌，從而實現(xiàn)更加準(zhǔn)確和可重復(fù)的測量。適合 500VAC (約 750VDC) 要求的內(nèi)部 725VDC 電流隔離勢壘經(jīng)過了全面的生產(chǎn)測試，旨在提供有保證的電路保護(hù)。

 
圖 3：LTM8048 的典型應(yīng)用

 

結(jié)論
    對于保護(hù)由 ADC 轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)、放大器和換能器組成的低功率傳感器單元及保持其準(zhǔn)確度而言，隔離型電源被證實是一種行之有效方法，否則它們的性能將會受到不利的影響。利用傳感器單元進(jìn)行正確和可靠的數(shù)據(jù)采集對于控制系統(tǒng)的操作至關(guān)重要。在大多數(shù)場合，使用最新組件的整個傳感器單元僅消耗不到 1W 的功率。盡管傳統(tǒng)的低功率電流隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供了值得信賴且有效的勢壘，但它們在輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、最大工作溫度和尺寸等方面卻存在不足。作為一種緊湊的表面貼裝型解決方案，一款新的 1.5W μModule 隔離型轉(zhuǎn)換器通過改進(jìn)輸入電壓范圍、輸出電壓范圍和工作溫度等指標(biāo)拓展了應(yīng)用的可能性。此外，所有的μModule 電源產(chǎn)品均憑借大量的可靠性測試提供支持，測試結(jié)果可在線查詢。對于那些正在尋求 725VDC 隔離型 DC/DC 電源解決方案的設(shè)計工程師來說，如今他們有了一款更加靈活和緊湊的可選產(chǎn)品。