優(yōu)化隔離傳感器接口的功率轉換

在工業(yè)控制世界，有幾點是確定無疑的：下一款產(chǎn)品將具有更小的尺寸、更多通道數(shù)，每通道的目標成本更低。人們期望，技術在上一個設計產(chǎn)品之后已有所改進，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本應得到更多關注的方面。如何在縮小接口尺寸并提高性能的同時，將隔離電源提供給ADC和調理電路？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計適當?shù)?a target="_blank">DC-DC轉換器，以便為傳感器接口提供電源。一個模塊只有一兩個接口，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、8個甚至16個獨立的隔離通道。多個大小適中的DC-DC轉換器會占據(jù)很多空間，并產(chǎn)生很多熱量。

圖1所示通用模擬接口為電源討論提供了一個很好的起點。有源電路包括信號調理單元(例如運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)字隔離器通道實現(xiàn)與FPGA的接口。通常該電路所需功率遠低于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正常工作。0 mW至150 mW工作范圍意味著構成電源的控制器和反饋元件的固定靜態(tài)功耗會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。另外，許多簡單電源設計需要一個最小負載才能正常工作，為使電源正常發(fā)揮作用，必須將功率浪費在持續(xù)阻性負載上。雖然在電路板上放置一個555定時器和晶體管來獲得一定的功率很容易，但制作一個高效、可靠、低功耗的電源則很困難。

在此功率范圍內，有三種基本的DC-DC轉換器類型：

非穩(wěn)壓開關電源或模塊

穩(wěn)壓開關電源或模塊

芯片級功率轉換器

采用這些電源結構都會增加控制電路的復雜性，而前兩種類型還需增加元器件數(shù)目和解決方案的尺寸。

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轉換器。

該設計利用固定頻率、固定占空比輸入切換來產(chǎn)生副邊電源，然后進行整流和濾波。所選變壓器的額定隔離電壓必須達到應用要求。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，但負載和溫度范圍內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，負載不能快速變化，否則就會引起電源大幅度改變。因此，器件成本會提高，或者至少要花費更多的設計時間，以評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高，但電源質量很低。

穩(wěn)壓電源和模塊

穩(wěn)壓電源提供更好的輸出特性。圖3顯示一個1 W功率范圍內的典型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?shù)淖儔浩鞴β仕胶驮褦?shù)比，以便在最大負載下提供充足的電壓，使得LDO能夠將輸出電壓調節(jié)到穩(wěn)定的水平。該方案的電源效率在高負載下非常好，在低負載下則很差，而后者正是模擬接口應用的運行情況。

有許多有源穩(wěn)壓方案可以提高全負載范圍內的效率，但需要復雜得多的控制電路，而且大部分方案需要在隔離柵上建立一個反饋通道。這會大幅增加設計的成本和尺寸，一般不適合此功率范圍內的模塊。

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。

芯片級轉換器

芯片級變壓器技術是ADI公司針對iCoupler?數(shù)字隔離器產(chǎn)品而開發(fā)的，基于該技術已產(chǎn)生一類新型DC-DC轉換器。該技術非常適合低功耗高性能電源設計。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時具有最高的Q。開關頻率如此之高，因而無法通過改變開關信號的占空比來控制功率。相反，控制電路通過選通和開關整個振蕩器來調節(jié)副邊電壓。

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

比較

下面通過一些實際例子來說明上述設計的區(qū)別。表1顯示兩個電源模塊和一個芯片級轉換器的特性對比。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. 技術對比

大部分設計師需要實現(xiàn)高電源效率的設計。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)手冊連100 mW以下的性能都未給出。事實很可能是這樣：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。它設計用于輕負載，具有良好的特性。然而，仔細對比芯片級轉換器，分析穩(wěn)壓模塊的效率，由圖5可見，由于芯片級轉換器集成有源反饋調節(jié)，其效率能夠更快地上升至最終值，因此在0 mA和15 mA的負載范圍內，芯片級解決方案事實上更有效。這基本上就是最初模擬接口定義中的目標范圍了。因此，盡管芯片級解決方案的最大效率最低，它依然是一個較好的選擇。

解決方案尺寸是下一個比較點。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標準封裝、尺寸為55 mm2，并且添加一些旁路電容和兩個電阻的芯片級模塊。

穩(wěn)壓方案相對于非穩(wěn)壓方案的優(yōu)勢與模擬前端的ADC和放大器的電源抑制性能有關。穩(wěn)壓能力越強，則選擇測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解決方案的最后一個區(qū)別因素是工作頻率。開關電流會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，與許多傳感器應用的采樣速率相當。必須對數(shù)據(jù)進行適當?shù)臑V波或消除混疊，防止其受到電源噪聲影響。芯片級解決方案的原邊功率振蕩器的工作頻率在125 MHz，遠高于多數(shù)工業(yè)傳感器ADC的采樣頻率。雖然功率振蕩器的PWM控制仍會引起紋波，但最大噪聲源高于ADC的帶寬，可將其輕松濾除。

芯片級轉換器的額外優(yōu)勢

僅就尺寸效率而言，芯片級轉換器非常適合該應用。但該技術還有許多其他優(yōu)點。下面將詳細介紹新型隔離功率轉換器ADuM5010。此器件能在模擬接口要求的低功耗范圍內提供電信用DC-DC轉換器的性能。

無限可調的輸出電壓。ADuM5010通過副邊的分壓器設 置輸出電壓。其范圍為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供電，因此可以調整電壓 以獲得最佳電源條件。

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

施加電源時，通過在原邊控制PWM實現(xiàn)軟啟動。這 樣，器件啟動時的浪涌電流可忽略不計。多個器件同時 啟動時，浪涌電流可能會壓倒較弱直流輸入電源軌，導 致無法預測的行為。

利用原邊電源禁用功能，可以將轉換器關斷到功耗極低 的待機狀態(tài)。此特性結合軟啟動可實現(xiàn)省電方案，在測 量間歇關閉傳感器的電源。

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

全面隔離認證。模塊的類型測試要求可以降低，并且可 以消除生產(chǎn)期間的在線測試。

結論

針對大多數(shù)PLC應用設計的模擬傳感器接口，應用時需要對數(shù)字通信和電源進行隔離。其功率水平非常低，低于大部分DC-DC轉換器以高效率和可預測方式正常工作的范圍。不過，經(jīng)過精密調節(jié)并表現(xiàn)良好的電源對接口非常有益。隔離式芯片級轉換器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轉換器才具備的特性組合。在功率與隔離數(shù)據(jù)通道相結合的系列器件中，此器件是僅提供功率的型號。ADuM521x雙數(shù)據(jù)通道器件支持數(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，以便工程師只需進行極少的設計工作就能安全且輕松地應用電源。