优化隔离传感器接口的功率转换

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。

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“空 芯”,也就是说变压器中不存在磁性材料。这意味着,这 些微型变压器在大约125 MHz时具有最高的Q。开关频率 如此之高,因而无法通过改变开关信号的占空比来控制功 率。相反,控制电路通过选通和开关整个振荡器来调节副 边电压。

变压器非常小,足以集成到采用内分引脚架构的标准IC封 装中。在隔离栅两侧,正向电源和输出反馈所需的全部器 件都可以集成到一对芯片中,无需外部分立器件,并且可 以实现多种高级特性。芯片级功率转换器能够集成完全稳 压DC-DC电源的全部功能,在低负载情况下具有紧凑型的 稳压特性和良好的效率。

图4.ADuM5010芯片级转换器

比较

下面通过一些实际例子来说明上述设计的区别。表1显示 两个电源模块和一个芯片级转换器的特性对比。所选TI模 块为最常见的模块,功率范围为传感器接口要求中规定的 0 mW至150 mW。

表1. 技术对比
类型 产品型号 峰值效率 10 mA效率 静态电流 最大功率 负载调整率 尺寸 成本
芯片级转换器 ADuM5010 30% 27% 6.8 mA 150 mW 1.3% 7.4 × 7.4 × 2 $1.50
稳压模块 DCR010505 50% 21% 18 mA 1 W 3% 18 × 10 × 2.5 $5.95
非稳压模块 DCH010505 72% N/A 60 mA 1 W 10% 20 × 8 × 10 $4.25

大部分设计师需要实现高电源效率的设计。表1中,非稳 压解决方案的效率最高,但选择该方案也有弊端。此模块 的额定功率为1 W,但其数据手册连100 mW以下的性能都 未给出。事实很可能是这样:输出电压显著高于额定值, 效率迅速降低。

效率第二的是稳压模块。它设计用于轻负载,具有良好的 特性。然而,仔细对比芯片级转换器,分析稳压模块的效 率,由图5可见,由于芯片级转换器集成有源反馈调节, 其效率能够更快地上升至最终值,因此在0 mA和15 mA的 负载范围内,芯片级解决方案事实上更有效。这基本上就 是最初模拟接口定义中的目标范围了。因此,尽管芯片级 解决方案的最大效率最低,它依然是一个较好的选择。

图5. DC-DC稳压模块与芯片级转换器的效率对比

解决方案尺寸是下一个比较点。模块解决方案在PCB上的 面积均为180 mm2,非稳压模块的高度是10 mm,因此它不 仅要占用电路板空间,而且很可能是板上最高的部分,决 定模块的理论外壳尺寸。明智的选择同样是采用薄型 SSOP20 JEDEC标准封装、尺寸为55 mm2,并且添加一些旁 路电容和两个电阻的芯片级模块。

稳压方案相对于非稳压方案的优势与模拟前端的ADC和放 大器的电源抑制性能有关。稳压能力越强,则选择测量器 件的灵活性越大,而不是局限于那些具有最佳电源抑制性 能的器件。

模块式/分立解决方案与芯片级解决方案的最后一个区别因 素是工作频率。开关电流会给电源带来噪声和纹波。很多 情况下,模块的工作频率范围是200 kHz到1 MHz,与许多 传感器应用的采样速率相当。必须对数据进行适当的滤波 或消除混叠,防止其受到电源噪声影响。芯片级解决方案 的原边功率振荡器的工作频率在125 MHz,远高于多数工业 传感器ADC的采样频率。虽然功率振荡器的PWM控制仍 会引起纹波,但最大噪声源高于ADC的带宽,可将其轻松 滤除。

芯片级转换器的额外优势

仅就尺寸效率而言,芯片级转换器非常适合该应用。但该 技术还有许多其他优点。下面将详细介绍新型隔离功率转 换器ADuM5010。此器件能在模拟接口要求的低功耗范围 内提供电信用DC-DC转换器的性能。

  1. 无限可调的输出电压。ADuM5010通过副边的分压器设 置输出电压。其范围为3.15 V至5.5 V。许多模拟ADC和 运算放大器采用非标准电源轨供电,因此可以调整电压 以获得最佳电源条件。
  2. 热关断功能可在短路过载情况下保护电源,尤其是在芯 片温度可能超过最高限值的高环境温度下。热关断跳变 点为154°C,芯片必须比它低10°C以上,器件才能自动 重启。电源重启不需要任何外部处理器干预。
  3. 施加电源时,通过在原边控制PWM实现软启动。这 样,器件启动时的浪涌电流可忽略不计。多个器件同时 启动时,浪涌电流可能会压倒较弱直流输入电源轨,导 致无法预测的行为。
  4. 利用原边电源禁用功能,可以将转换器关断到功耗极低 的待机状态。此特性结合软启动可实现省电方案,在测 量间歇关闭传感器的电源。
  5. 原边输入电源具有欠压闭锁(UVLO)功能。此特性可防 止转换器以低输入电源轨启动。这样, 在下游 ADuM5010尝试取电之前,输入电源可以有效充电。
  6. 全面隔离认证。模块的类型测试要求可以降低,并且可 以消除生产期间的在线测试。

结论

针对大多数PLC应用设计的模拟传感器接口,应用时需要 对数字通信和电源进行隔离。其功率水平非常低,低于大 部分DC-DC转换器以高效率和可预测方式正常工作的范 围。不过,经过精密调节并表现良好的电源对接口非常有 益。隔离式芯片级转换器ADuM5010非常适合隔离模拟输 入的要求,功耗150 mW,并提供一般只有高功率DC-DC转 换器才具备的特性组合。在功率与隔离数据通道相结合的 系列器件中,此器件是仅提供功率的型号。ADuM521x双 数据通道器件支持数据接口集成,从而节省更多空间。该 系列还将继续推出更高通道数器件,以便工程师只需进行 极少的设计工作就能安全且轻松地应用电源。




作者

Mark-Cantrell

Mark Cantrell

Mark Cantrell是ADI公司iCoupler®数字隔离器部的应用工程师,也是IEC60079-11维护团队成员。他的专业领域是iCoupler数字隔离产品,包括isoPower®隔离电源器件和I2C、USB隔离器等通信总线器件。他还负责所有iCoupler数字隔离器产品的机构安全认证。Mark毕业于美国印第安纳大学,获得物理学硕士学位。