优化隔离传感器接口的功率转换

2023-5-21 19:07| 发布者: 开心| 查看: 103| 评论: 0

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摘要: {本文由家电维修技术论坛小编收集整理资料}在工业控制世界，有几点是确定无疑的：下一款产品将具有更小的尺寸、更多通道数，每通道的目标成本更低。人们期望，技术在上一个设计产品之后已有所改进，所有这些都是可能的。在很大程度上，过去就是这样发 ...

{本文由家电维修技术论坛小编收集整理资料}在工业控制世界，有几点是确定无疑的：下一款产品将具有更小的尺寸、更多通道数，每通道的目标成本更低。人们期望，技术在上一个设计产品之后已有所改进，所有这些都是可能的。在很大程度上，过去就是这样发展的，而未来很可能仍然如此。从光耦合器时代到最新的高速、低功耗、高集成度数字隔离器，数据接口一直在稳步发展。本文将讨论隔离传感器接口的一个本应得到更多关注的方面。如何在缩小接口尺寸并提高性能的同时，将隔离电源提供给ADC和调理电路？过去，模拟接口板的通道数不多，因此板上有足够的空间可用来设计适当的DC-DC转换器，以便为传感器接口提供电源。一个模块只有一两个接口，因此功耗不是什么大问题。而目前，模拟PLC模块(如图1所示)能够提供4 个、8个甚至16个独立的隔离通道。多个大小适中的 DC-DC转换器会占据很多空间，并产生很多热量。

图1. 典型多通道传感器接口图1所示通用模拟接口为电源讨论提供了一个很好的起点。有源电路包括信号调理单元(例如运算放大器或仪表放大器)，以及集成了串行接口的ADC，可通过数字隔离器通道实现与FPGA的接口。通常该电路所需功率远低于150 mW。为传感器接口提供电源的基本挑战是优化电源，使其在所需功率范围内正常工作。0 mW至150 mW工作范围意味着构成电源的控制器和反馈元件的固定静态功耗会占所用总功耗的较大部分，因此效率较低。表1中不同电源配置的静态电流值显示了这一点。另外，许多简单电源设计需要一个最小负载才能正常工作，为使电源正常发挥作用，必须将功率浪费在持续阻性负载上。虽然在电路板上放置一个555定时器和晶体管来获得一定的功率很容易，但制作一个高效、可靠、低功耗的电源则很困难。在此功率范围内，有三种基本的DC-DC转换器类型： 1. 非稳压开关电源或模块2. 稳压开关电源或模块3. 芯片级功率转换器采用这些电源结构都会增加控制电路的复杂性，而前两种类型还需增加元器件数目和解决方案的尺寸。非稳压电源最简单的解决方案是图2所示的非稳压DC-DC转换器。

图2. 非稳压DC-DC模块该设计利用固定频率、固定占空比输入切换来产生副边电源，然后进行整流和滤波。所选变压器的额定隔离电压必须达到应用要求。隔离要求越高，则变压器越大(即PCB面积越大、高度越高)。该解决方案的成本以变压器为主，数量合适的话，分立解决方案的成本低于1.00美元。虽然成本很低，但负载和温度范围内的输出电压变化可能很大，模拟接口的模拟器件选择将更加困难。模拟接口的所有模拟器件都必须具有出色的电源抑制性能，负载不能快速变化，否则就会引起电源大幅度改变。因此，器件成本会提高，或者至少要花费更多的设计时间，以评估解决方案在极端情况下的表现。非稳压电源的效率可能相当高，但电源质量很低。稳压电源和模块稳压电源提供更好的输出特性。图3显示一个1 W功率范围内的典型DC-DC模块。

图3. 稳压DC-DC模块与上述非稳压电源示例类似，控制器将功率切换到变压器中。选择适当的变压器功率水平和匝数比，以便在最大负载下提供充足的电压，使得LDO能够将输出电压调节到稳定的水平。该方案的电源效率在高负载下非常好，在低负载下则很差，而后者正是模拟接口应用的运行情况。有许多有源稳压方案可以提高全负载范围内的效率，但需要复杂得多的控制电路，而且大部分方案需要在隔离栅上建立一个反馈通道。这会大幅增加设计的成本和尺寸，一般不适合此功率范围内的模块。由于难以将变压器整合到组件中，因此这些电源的集成并未超出密封模块或PCB子卡。制造商在缩小这些器件的尺寸方面取得的成功非常有限。芯片级转换器芯片级变压器技术是ADI公司针对iCoupler®数字隔离器产品而开发的，基于该技术已产生一类新型DC-DC转换器。该技术非常适合低功耗高性能电源设计。变压器为

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