提升工業(yè)應(yīng)用中的隔離式、分離軌功率設(shè)計(jì)

降低解決方案的尺寸、組件成本和功率損耗對(duì)于工業(yè)應(yīng)用正變得越來越重要?？?a target="_blank">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(jié)合智能通信進(jìn)行深入自動(dòng)化趨勢(shì)。因此，在過程工程、工業(yè)自動(dòng)化和設(shè)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(shè)計(jì)明顯有助于達(dá)成該等目標(biāo)。

讓我們來看下模擬I/O模塊供電設(shè)計(jì)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(hào)傳輸。我們需要DAC/ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通常為5V供電。為了保護(hù)裝置，同時(shí)也為了確保能夠達(dá)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(gè)5V軌和+/-12至+/- 15V分離軌用于電壓信號(hào)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(shí)施方案。

圖2：普通供電實(shí)施方案

供電及其設(shè)計(jì)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(gè)二次繞組，因此生產(chǎn)成本和占地空間都較大。更重要的是，其側(cè)面高度約為5mm?？臻g節(jié)省后能夠?qū)崿F(xiàn)更小的開關(guān)柜或容納更多的I/O模塊，同時(shí)，也能夠顯著降低成本。理想情況是主動(dòng)模塊能夠像被動(dòng)端子一樣薄。最終，開發(fā)板的側(cè)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(zhuǎn)換器配置中使用側(cè)面高度僅1.8mm、成本優(yōu)化的組件。將LM5160反激式轉(zhuǎn)換器輸出設(shè)置為5V，您便可以不必使用降壓轉(zhuǎn)換器。要產(chǎn)生+/- 12V至+/- 15V分離軌輸出，全集成TPS65130分離軌轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化。該裝置集成了一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器用于正電壓輸出，以及一個(gè)反相降壓升壓級(jí)用于負(fù)電壓輸出。由于輸出電壓分別受到嚴(yán)格的控制，這還有另一個(gè)積極的副加作用：我們可以去掉兩個(gè)LDO。

從功率轉(zhuǎn)換效率的角度來看，分離軌通過兩個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)是個(gè)缺點(diǎn)。但是，5V軌現(xiàn)在已經(jīng)得到了優(yōu)化——在第一個(gè)設(shè)計(jì)中，它需要經(jīng)過兩級(jí)。而且，這個(gè)設(shè)計(jì)還去掉了兩個(gè)LDO，每個(gè)可以減少約2V電壓。因此導(dǎo)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(shí)施方案

該解決方案僅需要兩個(gè)主動(dòng)裝置，最大組件高度僅為1.8mm，如此扁平的設(shè)計(jì)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(zhǔn)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(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)(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(cè)試報(bào)告包括測(cè)試數(shù)據(jù)和熱測(cè)量。

審核編輯：郭婷