優化隔離感測器介面的功率轉換

在工業控制世界，有幾點是確定無疑的：下一款產品將具 有更小的尺寸、更多通道數，每通道的目標成本更低。人 們期望，技術在上一個設計產品之後已有所改進，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、高集成度數字隔離器，數據介面一直在穩步發展。本文將討論隔離感測器 介面的一個本應得到更多關注的方面。如何在縮小介面尺寸並提高性能的同時，將隔離電源提供給ADC和調理電路？過去，模擬介面板的通道數不多，因此板上有足夠的 空間可用來設計適當的DC-DC轉換器，以便為感測器介面提供電源。一個模塊只有一兩個介面，因此功耗不是什麼 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轉換器會佔據很多空間，併產生很多熱量。

圖1. 典型多通道感測器介面

圖1所示通用模擬介面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錶放大 器)，以及集成了串列介面的ADC，可通過數字隔離器通道 實現與FPGA的介面。通常該電路所需功率遠低於150 mW。

為感測器介面提供電源的基本挑戰是優化電源，使其在所 需功率範圍內正常工作。0 mW至150 mW工作範圍意味著 構成電源的控制器和反饋元件的固定靜態功耗會佔所用總 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555定時器和晶體管來獲得一定的功率很容易，但製作 一個高效、可靠、低功耗的電源則很困難。

在此功率範圍內，有三種基本的DC-DC轉換器類型：

1. 非穩壓開關電源或模塊

2. 穩壓開關電源或模塊

3. 晶元級功率轉換器

採用這些電源結構都會增加控制電路的複雜性，而前兩種 類型還需增加元器件數目和解決方案的尺寸。

1.

非穩壓電源

最簡單的解決方案是圖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產生副邊電 源，然後進行整流和濾波。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 量合適的話，分立解決方案的成本低於1.00美元。

雖然成本很低，但負載和溫度範圍內的輸出電壓變化可能 很大，模擬介面的模擬器件選擇將更加困難。模擬介面的 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。非穩壓電源的效率可能相當 高，但電源質量很低。

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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1 W功率範圍 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，而後者正是模擬介面應用的運行情況。

有許多有源穩壓方案可以提高全負載範圍內的效率，但需 要複雜得多的控制電路，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 般不適合此功率範圍內的模塊。

由於難以將變壓器整合到組件中，因此這些電源的集成並 未超出密封模塊或PCB子卡。製造商在縮小這些器件的尺 寸方面取得的成功非常有限。

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晶元級轉換器

晶元級變壓器技術是ADI公司針對iCoupler?數字隔離器產 品而開發的，基於該技術已產生一類新型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副 邊電壓。

變壓器非常小，足以集成到採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晶元中，無需外部分立器件，並且可 以實現多種高級特性。晶元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晶元級轉換器

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比較

下面通過一些實際例子來說明上述設計的區別。表1顯示 兩個電源模塊和一個晶元級轉換器的特性對比。所選TI模 塊為最常見的模塊，功率範圍為感測器介面要求中規定的 0 mW至150 mW。

表1. 技術對比

大部分設計師需要實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。事實很可能是這樣：輸出電壓顯著高於額定值， 效率迅速降低。

效率第二的是穩壓模塊。它設計用於輕負載，具有良好的 特性。然而，仔細對比晶元級轉換器，分析穩壓模塊的效 率，由圖5可見，由於晶元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 負載範圍內，晶元級解決方案事實上更有效。這基本上就 是最初模擬介面定義中的目標範圍了。因此，儘管晶元級 解決方案的最大效率最低，它依然是一個較好的選擇。

圖5. DC-DC穩壓模塊與晶元級轉換器的效率對比

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，非穩壓模塊的高度是10 mm，因此它不 僅要佔用電路板空間，而且很可能是板上最高的部分，決 定模塊的理論外殼尺寸。明智的選擇同樣是採用薄型 SSOP20 JEDEC標準封裝、尺寸為55 mm2，並且添加一些旁 路電容和兩個電阻的晶元級模塊。

穩壓方案相對於非穩壓方案的優勢與模擬前端的ADC和放 大器的電源抑制性能有關。穩壓能力越強，則選擇測量器 件的靈活性越大，而不是局限於那些具有最佳電源抑制性 能的器件。

模塊式/分立解決方案與晶元級解決方案的最後一個區別因 素是工作頻率。開關電流會給電源帶來雜訊和紋波。很多 情況下，模塊的工作頻率範圍是200 kHz到1 MHz，與許多 感測器應用的採樣速率相當。必須對數據進行適當的濾波 或消除混疊，防止其受到電源雜訊影響。晶元級解決方案 的原邊功率振蕩器的工作頻率在125 MHz，遠高於多數工業 感測器ADC的採樣頻率。雖然功率振蕩器的PWM控制仍 會引起紋波，但最大雜訊源高於ADC的帶寬，可將其輕鬆 濾除。

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晶元級轉換器的額外優勢

1. 無限可調的輸出電壓。ADuM5010通過副邊的分壓器設 置輸出電壓。其範圍為3.15 V至5.5 V。許多模擬ADC和 運算放大器採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境溫度下。熱關斷跳變 點為154°C，晶元必須比它低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。

3. 施加電源時，通過在原邊控制PWM實現軟啟動。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。

4. 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。此特性結合軟啟動可實現省電方案，在測 量間歇關閉感測器的電源。

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。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。模塊的類型測試要求可以降低，並且可 以消除生產期間的在線測試

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結論

針對大多數PLC應用設計的模擬感測器介面，應用時需要 對數字通信和電源進行隔離。其功率水平非常低，低於大 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，經過精密調節並表現良好的電源對介面非常有 益。隔離式晶元級轉換器ADuM5010非常適合隔離模擬輸 入的要求，功耗150 mW，並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介面集成，從而節省更多空間。該 系列還將繼續推出更高通道數器件，以便工程師只需進行 極少的設計工作就能安全且輕鬆地應用電源。

作者簡介

Mark Cantrell是ADI公司iCoupler?數字隔離器部的應用工程師，也是IEC60079-11維護團隊成員。他的專業領域是iCoupler數字隔離產品，包括isoPower?隔離電源器件和I2C、USB隔離器等通信匯流排器件。他還負責所有iCoupler數字隔離器產品的機構安全認證。Mark畢業於美國印第安納大學，獲得物理學碩士學位。

本文轉載自：ADI官網

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