減法的作用：提升工業(yè)應用中的隔離式、分離軌功率設計

降低解決方案的尺寸、組件成本和功率損耗對于工業(yè)應用正變得越來越重要。可編程序控制器(PLC)用的模擬I/O模組便是滿足這類要求的很好例子。

工業(yè)4.0指出了結合智能通信進行深入自動化趨勢。因此，在過程工程、工業(yè)自動化和設備管理中，PLC需要配備更多的I/O端口。如果空間有限，控制器無法放入更多基板面，那么，我們必須增加模塊密度才能支持更多的I/O需求。優(yōu)化供電設計明顯有助于達成該等目標。

讓我們來看下模擬I/O模塊供電設計的功率要求。

模擬I/O模塊通常使用4-20mA電流環(huán)路或+/-10V信號傳輸。我們需要DAC/ADC進行轉換，通常為5V供電。為了保護裝置，同時也為了確保能夠達到要求的性能，需隔離供電軌，以抵消地移或噪聲。

因此，模擬I/O模塊需要一個5V軌和+/-12至+/- 15V分離軌用于電壓信號傳輸或電流環(huán)路灌/拉，與24-V軌隔離供電。圖2所示為一普通的實施方案。

圖2：普通供電實施方案

供電及其設計有優(yōu)化的空間嗎？

分析最適合從哪著手，變壓器是最合適的。由于其有兩個二次繞組，因此生產成本和占地空間都較大。更重要的是，其側面高度約為5mm?？臻g節(jié)省后能夠實現(xiàn)更小的開關柜或容納更多的I/O模塊，同時，也能夠顯著降低成本。理想情況是主動模塊能夠像被動端子一樣薄。最終，開發(fā)板的側面高度也需要縮減。

讓我們從這一想法著手。如果我們使用1:1單二次繞組變壓器，可以在反激式轉換器配置中使用側面高度僅1.8mm、成本優(yōu)化的組件。將LM5160反激式轉換器輸出設置為5V，您便可以不必使用降壓轉換器。要產生+/- 12V至+/- 15V分離軌輸出，全集成TPS65130分離軌轉換器能夠實現(xiàn)進一步優(yōu)化。該裝置集成了一個升壓轉換器用于正電壓輸出，以及一個反相降壓升壓級用于負電壓輸出。由于輸出電壓分別受到嚴格的控制，這還有另一個積極的副加作用：我們可以去掉兩個LDO。

從功率轉換效率的角度來看，分離軌通過兩個轉換級是個缺點。但是，5V軌現(xiàn)在已經得到了優(yōu)化——在第一個設計中，它需要經過兩級。而且，這個設計還去掉了兩個LDO，每個可以減少約2V電壓。因此導致系統(tǒng)發(fā)熱的LDO功率損耗也沒有了。

圖3所示為新的解決方案。

圖3：新型供電實施方案

該解決方案僅需要兩個主動裝置，最大組件高度僅為1.8mm，如此扁平的設計甚至可以輕松穿過門縫。開發(fā)板所需面積減少一半。能夠以最佳成本打造超薄的模擬I/O模塊，輸出電壓也得到了精準的控制，且擁有低至5mV的電壓波紋。

該概念在小尺寸、隔離式模擬DC/DC轉換器參考設計(TIDA-00689)中有提到，包括系統(tǒng)說明、原理圖、布局建議和材料清單。測試報告包括測試數(shù)據和熱測量。

更多資源：

• LM5160寬輸入65V、1.5A 同步降壓DC-DC轉換器
• TPS65130正負輸出分離軌轉換器
• 了解更多有關TI分離軌產品組合的信息：