隔離型µModule電源轉(zhuǎn)換器改善了信號(hào)測量準(zhǔn)確度

引言
對(duì)于因變化不定的電位所引起的接地平面中的擾動(dòng) (常被稱為接地環(huán)路) 而言，正確實(shí)施的電流隔離是一種有效的防護(hù)舉措。由于物理限制的原因，PCB 上的電氣組件必需在不同的物理位置與接地平面相連。因此，當(dāng)每個(gè)組件的接地平面連線與電路板的寄生元件共同作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量的變動(dòng)電位。誘發(fā)接地環(huán)路的另一個(gè)重要因素是由大電流電機(jī)、泵、開關(guān)穩(wěn)壓器和數(shù)字處理器所產(chǎn)生的傳導(dǎo) EMI，它們的特性是功率需求變化很快，電流常常達(dá)幾十安培 (圖 1)。這些接地平面擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致重大的測量誤差。測量傳感器所在位置的接地電位與 ADC 進(jìn)行模擬信號(hào)至數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的位置之的接地電位可能并不相同。于是，最終產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)會(huì)由于兩個(gè)接地電位之間存在電壓差而出現(xiàn)歪斜失真。雖然從理論上說可以在信號(hào)處理器上對(duì)此電壓差施加補(bǔ)償，然而，由于其鄰近負(fù)載的電流消耗不斷變化，因此該接地電位差的大小將隨著時(shí)間的推移而改變。面對(duì)這種情況，實(shí)施補(bǔ)償充其量也不過是一種令人倍感棘手的提議。再者，采用電流隔離還可保護(hù)下游器件免遭可能具有破壞性的電源軌瞬變或短路事件的損壞。

電流隔離應(yīng)用
將一個(gè)大型控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)劃分為若干較小的電流隔離分區(qū)，這是一種防避組件遭受電氣過應(yīng)力損壞之風(fēng)險(xiǎn)的巧妙策略。隔離勢(shì)壘能夠阻止任何帶電粒子的傳輸，因此各分區(qū)之間的通信將采用其他的方法進(jìn)行，例如：光、無線、電容性或磁性等方式。任何電源軌和 / 或接地?cái)_動(dòng)都可以輕而易舉地?fù)p壞由 ADC、放大器、電壓基準(zhǔn)和換能器組成的 5V 或更低電壓的低功率傳感器單元，這些組件的綜合功耗常常低于 1W (具體數(shù)值取決于其性能)。作為一種預(yù)防措施，加進(jìn)了 500VAC (約 710VDC) 的電流隔離，以在短路故障導(dǎo)致輸入電源電壓超過組件的絕對(duì)最大額定電壓的情況下對(duì)這些器件提供保護(hù)。假如發(fā)生此類故障，則其造成的損壞將被限制在整個(gè)控制系統(tǒng)的一個(gè)小的分區(qū)或部分之中。此外，還最大限度地抑制了接地?cái)_動(dòng)，有關(guān)內(nèi)容將在下一節(jié)中討論。這樣，受損的分區(qū)就可以作為標(biāo)準(zhǔn)的“現(xiàn)成有售”替換單元進(jìn)行備置或采購，從而省時(shí)省力地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全面恢復(fù)。

圖 1：將敏感的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、放大器及基準(zhǔn)的電源和
地電壓軌與其他大電流電源通路相隔離，可改善信號(hào)分辨率和可靠性。

功率的正確平衡
通過在可提供一個(gè)較干凈和更穩(wěn)定地電位系統(tǒng)的噪聲大電流和低電流部分之間建立一個(gè)電勢(shì)壘，隔離型電源轉(zhuǎn)換器能夠保持信號(hào)準(zhǔn)確度。特別地，輸出功率低于 2W 的隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可為由一個(gè)放大器、ADC、換能器及電壓基準(zhǔn)組成的一個(gè)或更多的傳感器單元提供充足的功率 (圖 2)。當(dāng)隔離分區(qū)消耗的功率超過 2W 時(shí)，則有可能開始經(jīng)受同樣的接地環(huán)路問題，這首先要求采取電流隔離。不僅如此，隨著隔離分區(qū)復(fù)雜性的增加，其內(nèi)部的附加導(dǎo)線和 PCB 印制線對(duì)于電噪聲發(fā)生源 (例如：來自鄰近電子線路的輻射 EMI) 變得愈發(fā)敏感。如果擁有一個(gè)由隔離勢(shì)壘提供保護(hù)的穩(wěn)定接地平面，傳感器單元就能提供更加準(zhǔn)確的讀數(shù)，從而改善系統(tǒng)控制。甚至可以把準(zhǔn)確度提高到允許利用較高分辨率 ADC 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能升級(jí)的地步。

圖 2：一個(gè)由放大器、ADC、換能器和基準(zhǔn)組成的
傳感器單元中每個(gè)組件的功耗范圍?？偣牡陀?1W。

傳統(tǒng)隔離型轉(zhuǎn)換器的局限性
500VAC (約 710VDC) 隔離所采用的傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換器支持工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用的能力有限。其中許多電源轉(zhuǎn)換器的最大內(nèi)部工作溫度為 +85°C。把內(nèi)部功率損失與封裝熱阻的影響考慮進(jìn)去，當(dāng)環(huán)境溫度介于 +50°C 至 +65°C 之間時(shí)，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的輸出功率可能就要開始降額使用了，所留的余量極小。雖然冷卻系統(tǒng)可以提供一定的幫助，但又會(huì)帶來其他的問題，涉及到成本、尺寸和可靠性 (倘若風(fēng)扇失靈) 等諸多方面。其他的隔離型解決方案需要一個(gè)準(zhǔn)確度為 ±10% 的 12V 或 24V 輸入，這與未調(diào)整電源或可用電壓范圍變化幅度達(dá) ±12% 至 ±14% 的工業(yè)鋰離子電池是不兼容的。雖然傳統(tǒng)隔離型轉(zhuǎn)換器可提供諸如 3.3V 和 5V 的常用固定輸出電壓，但對(duì)于外部 3.3V 或 5V 基準(zhǔn)以及相似輸出電壓 LDO 后置穩(wěn)壓器的 0.1V 或更大的壓差電壓，它們均不具備任何與之相適應(yīng)的靈活性?？赏ㄟ^實(shí)現(xiàn)后者 (即 LDO 后置穩(wěn)壓器) 來減小 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電源紋波。隨著控制系統(tǒng)變得日益復(fù)雜，需要采用額外的隔離傳感器分區(qū)來支持?jǐn)?shù)目更多的信號(hào)通道，以提供有關(guān)系統(tǒng)性能的深層信息。與此同時(shí)，由于板級(jí)空間十分有限，因而需要尺寸較小的解決方案 (在較小的空間里集成更多的功能特性)。隔離型 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器的新進(jìn)展解決了上述問題。

傳統(tǒng)隔離型轉(zhuǎn)換器的局限性：

•+85°C 的最大內(nèi)部工作溫度限制了高溫工業(yè)環(huán)境中的輸出功率

•±10% 的輸入電源準(zhǔn)確度要求導(dǎo)致無法采用未調(diào)整電源或者在使用壽命期間電壓變化幅度達(dá) ±14% 的電池來工作

•在內(nèi)部固定的輸出電壓不適應(yīng) 3.3V / 5V 輸出電壓基準(zhǔn)及 LDO 后置穩(wěn)壓器的壓差電壓

新型 500VAC (約 710VDC) 隔離式轉(zhuǎn)換器
應(yīng)對(duì)上述局限性的一種解決方案是 LTM8048，這是一款 725VDC 隔離型 μModule® 電源轉(zhuǎn)換器。作為一款節(jié)省空間的 1.5W 輸出解決方案，LTM8048 將電源開關(guān)、控制器、變壓器和補(bǔ)償電路內(nèi)置于一個(gè) 9 x 11.25 x 4.92mm BGA 封裝之中，只需極少的外部組件 (圖 3)。與傳統(tǒng)的隔離型電源解決方案相比，這款轉(zhuǎn)換器在工作溫度、輸入和輸出電壓范圍等指標(biāo)上有所改進(jìn)。額定功率為 1.5W 的 LTM8048 保證能在高達(dá) +125°C 的內(nèi)部溫度條件下運(yùn)作，可更好地適應(yīng)工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用的工作環(huán)境，例如：自然資源輸送基礎(chǔ)設(shè)施、渦輪、電池管理和安保設(shè)備。3.1V 至 32V 的寬輸入電源電壓范圍允許 LTM8048 直接采用不太昂貴的未調(diào)整開關(guān)電源或各種各樣的電池組來供電。而且，轉(zhuǎn)換器的主端輸入電壓還可以高于、等于或低于副端上的期望輸出電壓。一個(gè)內(nèi)部 LDO 負(fù)責(zé)提供介于 1.2V 至 12V 之間的任何輸出電壓，此電壓可簡單地通過在 LTM8048 的反饋引腳與副端地之間布設(shè)合適的電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出電壓的紋波小于 1mV，可為 ADC 和模擬傳感器提供一個(gè)穩(wěn)定的電源軌，從而實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確和可重復(fù)的測量。適合 500VAC (約 750VDC) 要求的內(nèi)部 725VDC 電流隔離勢(shì)壘經(jīng)過了全面的生產(chǎn)測試，旨在提供有保證的電路保護(hù)。

圖 3：LTM8048 的典型應(yīng)用

結(jié)論
對(duì)于保護(hù)由 ADC 轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)、放大器和換能器組成的低功率傳感器單元及保持其準(zhǔn)確度而言，隔離型電源被證實(shí)是一種行之有效方法，否則它們的性能將會(huì)受到不利的影響。利用傳感器單元進(jìn)行正確和可靠的數(shù)據(jù)采集對(duì)于控制系統(tǒng)的操作至關(guān)重要。在大多數(shù)場合，使用最新組件的整個(gè)傳感器單元僅消耗不到 1W 的功率。盡管傳統(tǒng)的低功率電流隔離型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供了值得信賴且有效的勢(shì)壘，但它們?cè)谳斎腚妷悍秶?、輸出電壓范圍、最大工作溫度和尺寸等方面卻存在不足。作為一種緊湊的表面貼裝型解決方案，一款新的 1.5W μModule 隔離型轉(zhuǎn)換器通過改進(jìn)輸入電壓范圍、輸出電壓范圍和工作溫度等指標(biāo)拓展了應(yīng)用的可能性。此外，所有的μModule 電源產(chǎn)品均憑借大量的可靠性測試提供支持，測試結(jié)果可在線查詢。對(duì)于那些正在尋求 725VDC 隔離型 DC/DC 電源解決方案的設(shè)計(jì)工程師來說，如今他們有了一款更加靈活和緊湊的可選產(chǎn)品。