從光耦合器時(shí)代到最新的高速、低功耗、高集成度數字隔 離器，數據接口一直在穩步發(fā)展。本文將討論隔離傳感器 接口的一個(gè)本應得到更多關(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和調理電 路？過(guò)去，模擬接口板的通道數不多，因此板上有足夠的 空間可用來(lái)設計適當的DC-DC轉換器，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(wèn)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)獨立的隔離通道。多個(gè)大小適中的 DC-DC轉換器會(huì )占據很多空間，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(guò)數字隔離器通道 實(shí)現與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(zhù) 構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(jiǎn)單電源設計需要 一個(gè)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阻性負載上。雖然在電路板上放置一 個(gè)555定時(shí)器和晶體管來(lái)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，有三種基本的DC-DC轉換器類(lèi)型：

 

1. 非穩壓開(kāi)關(guān)電源或模塊

2. 穩壓開(kāi)關(guān)電源或模塊

3. 芯片級功率轉換器

 

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

 

非穩壓電源

 

最簡(jiǎn)單的解決方案是圖2所示的非穩壓DC-DC轉換器。

 

圖2. 非穩壓DC-DC模塊

 

該設計利用固定頻率、固定占空比輸入切換來(lái)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 量合適的話(huà)，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(huì )引起電源大幅度改變。因此，器件成 本會(huì )提高，或者至少要花費更多的設計時(shí)間，以評估解決 方案在極端情況下的表現。非穩壓電源的效率可能相當 高，但電源質(zhì)量很低。

 

穩壓電源和模塊

 

穩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 內的典型DC-DC模塊。

 

圖3. 穩壓DC-DC模塊

 

與上述非穩壓電源示例類(lèi)似，控制器將功率切換到變壓器 中。選擇適當的變壓器功率水平和匝數比，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到穩 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(gè)反饋通道。這會(huì )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(shù)是ADI公司針對iCoupler®數字隔離器產(chǎn) 品而開(kāi)發(fā)的，基于該技術(shù)已產(chǎn)生一類(lèi)新型DC-DC轉換器。 該技術(shù)非常適合低功耗高性能電源設計。變壓器為“空 芯”，也就是說(shuō)變壓器中不存在磁性材料。這意味著(zhù)，這 些微型變壓器在大約125 MHz時(shí)具有最高的Q。開(kāi)關(guān)頻率 如此之高，因而無(wú)法通過(guò)改變開(kāi)關(guān)信號的占空比來(lái)控制功 率。相反，控制電路通過(guò)選通和開(kāi)關(guān)整個(gè)振蕩器來(lái)調節副 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(wú)需外部分立器件，并且可 以實(shí)現多種高級特性。芯片級功率轉換器能夠集成完全穩 壓DC-DC電源的全部功能，在低負載情況下具有緊湊型的 穩壓特性和良好的效率。

 

圖4.ADuM5010芯片級轉換器

 

比較

 

下面通過(guò)一些實(shí)際例子來(lái)說(shuō)明上述設計的區別。表1顯示 兩個(gè)電源模塊和一個(gè)芯片級轉換器的特性對比。所選TI模 塊為最常見(jiàn)的模塊，功率范圍為傳感器接口要求中規定的 0 mW至150 mW。

 

表1. 技術(shù)對比

 

大部分設計師需要實(shí)現高電源效率的設計。表1中，非穩 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，但其數據手冊連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(zhù)高于額定值， 效率迅速降低。

 

效率第二的是穩壓模塊。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，分析穩壓模塊的效 率，由圖5可見(jiàn)，由于芯片級轉換器集成有源反饋調節， 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(shí)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(gè)較好的選擇。

 

圖5. DC-DC穩壓模塊與芯片級轉換器的效率對比

 

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(gè)電阻的芯片級模塊。

 

穩壓方案相對于非穩壓方案的優(yōu)勢與模擬前端的ADC和放 大器的電源抑制性能有關(guān)。穩壓能力越強，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(gè)區別因 素是工作頻率。開(kāi)關(guān)電流會(huì )給電源帶來(lái)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。必須對數據進(jìn)行適當的濾波 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A(yíng)DC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(shù)還有許多其他優(yōu)點(diǎn)。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。

 

1. 無(wú)限可調的輸出電壓。ADuM5010通過(guò)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。

 

2. 熱關(guān)斷功能可在短路過(guò)載情況下保護電源，尤其是在芯 片溫度可能超過(guò)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。

 

3. 施加電源時(shí)，通過(guò)在原邊控制PWM實(shí)現軟啟動(dòng)。這 樣，器件啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流可忽略不計。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 致無(wú)法預測的行為。

 

4. 利用原邊電源禁用功能，可以將轉換器關(guān)斷到功耗極低 的待機狀態(tài)。此特性結合軟啟動(dòng)可實(shí)現省電方案，在測 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. 全面隔離認證。模塊的類(lèi)型測試要求可以降低，并且可 以消除生產(chǎn)期間的在線(xiàn)測試。

 

結論

 

針對大多數PLC應用設計的模擬傳感器接口，應用時(shí)需要 對數字通信和電源進(jìn)行隔離。其功率水平非常低，低于大 部分DC-DC轉換器以高效率和可預測方式正常工作的范 圍。不過(guò)，經(jīng)過(guò)精密調節并表現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。在功率與隔離數據通道相結合的 系列器件中，此器件是僅提供功率的型號。ADuM521x雙 數據通道器件支持數據接口集成，從而節省更多空間。該 系列還將繼續推出更高通道數器件，以便工程師只需進(jìn)行 極少的設計工作就能安全且輕松地應用電源。

 

 

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