采用高集成度電源管理IC縮小工業(yè)設計體積

工業(yè)制造業(yè)正在經歷巨大的變革。受工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）等政府倡導的計劃驅動，行業(yè)組織都在積極熱衷于獲取和利用從龐大傳感器網(wǎng)絡中收集的數(shù)據(jù)。這種機制具有許多潛在的好處，能夠產生可提高生產運營效率的分析性建議，而相關工廠可以實施預測性維護、修理和操作（MRO）方案。就這種應用而言，對磨損部件的狀態(tài)進行監(jiān)視（例如，通過振動傳感器檢測電機的軸承磨損）至關重要。這些新見解以及優(yōu)化運營的能力可以幫助相關的機構釋放潛能，將其設施完全轉換為基于服務的高效運營。事實上，許多工業(yè)制造設備供應商正在這樣實施。

但是，要構建一個以工業(yè)數(shù)據(jù)為導向的環(huán)境需要大量設備，這些包括從緊湊型傳感器和強大的通信網(wǎng)關，到必不可少的可編程控制器等硬件。這些設備不僅其相關的成本很高，而且還需要考慮將其放置在工廠車間的位置。通常工廠車間的空間非常寶貴，因此特定生產線的所有控制設備通常都需要布置在單個控制柜內。反過來，這意味著需要把越來越多的電子系統(tǒng)壓縮到有限的空間中。為了創(chuàng)建更小的設計，工程師需要選擇體積盡可能小的被動元件和IC。除了體積小巧之外，這些組件還必須具有優(yōu)化的熱管理和低EMI特性，以便實現(xiàn)更高程度的集成，因此最終解決方案必須更加緊湊，并且要避免出現(xiàn)熱管理方面的問題，它們必須具有更高的能源效率。

應用實例

除了使設計體積更小之外，工程師還必須努力開發(fā)產品使之能夠在電氣噪聲環(huán)境中可靠地運行。更高的自動化程度意味著更多地使用電動設備，而使用電機和執(zhí)行器等設備可能產生高壓瞬態(tài)。瞬態(tài)尖峰會損壞靈敏的電路，并干擾傳感器測量值的精確讀取，尤其是涉及有模擬信號參與其中的情況。當今的發(fā)展趨勢是在測量完成之后盡快將模擬信號轉換為數(shù)字式，但這仍然會使模數(shù)轉換器（ADC）和數(shù)模轉換器（DAC）電路容易受到此類傳導瞬態(tài)影響。對信號的電氣或電流隔離，是一種能夠減輕瞬態(tài)影響的技術。隔離也需要避免損壞所連接的電路，以及滿足電氣安全認證的要求，傳感器與其關聯(lián)ADC和主機微控制器之間的隔離是一個需要謹慎考慮的步驟。在狀態(tài)監(jiān)視示例中，傳感器直接連接到由線路供電的電機，這為雜散電壓提供了返回主機的潛在路徑。隔離需要確保傳感器或ADC上存在的破壞性電壓尖峰或泄漏電流永遠不會到達微控制器。在此示例中，ADC也將需要由隔離式電源供電。為了實現(xiàn)這種高隔離度，需要對電源和數(shù)據(jù)信號都進行隔離，并且通常使用帶隔離功能的DC-DC轉換器和數(shù)字信號隔離IC，見圖1。

圖1：連接到主機微控制器的狀態(tài)監(jiān)控模擬前端功能框圖。（來源：貿澤電子）

減少BOM和PCB占用空間

通過將電源轉換和管理集成在一起，電源隔離和數(shù)字信號隔離（SPI）集成在單個IC中，不僅可以節(jié)省大量的電路板空間，而且還可以減少物料清單。ADI公司的 ADP1031 就是這樣一個IC示例，它將所有這些功能集成到一個LFCSP 7mm x 9mm緊湊型封裝，能夠在4.5V～60V的寬電源電壓范圍內工作，在微功耗管理單元（PMU）中內置有3個微功耗DC-DC轉換器，包括一個隔離式反激穩(wěn)壓器，一個反相穩(wěn)壓器和一個降壓轉換器。ADP1031可提供高達2.0W的總功率，效率在80％至90％之間。就架構而言，它包含四個雙向高速隔離通道（可容納一個SPI接口）、三個隔離通用I/O通道（使用ADI公司的iCoupler專利技術），見圖2。

圖2：ADI公司帶有七個數(shù)字隔離器的ADP1 031三通道、隔離式微功耗管理單元的主要功能，圖中包括了反激式轉換器變壓器等外部組件。（來源：ADI公司）

ADP1031的電源管理單元除了具有許多可編程反激和逆變器轉換器選項以外，還具有軟啟動上電、輸入過流和輸出過壓保護等功能。ADP1031內置一個用于反激式轉換器的MOSFET開關，僅需要最少量的外部被動元件和反激式隔離1：1比率變壓器即可工作，所有三個電源域的輸入至輸出隔離為300V。此外，ADP1031除了符合CISPR11（EN 55011）B類輻射水平外，還可以控制轉換器的轉換率（slew rate），從而有助于改善電磁干擾（EMI）性能。

ADP1031經過優(yōu)化，可與ADI公司的單通道16位分辨率 DAC IC Analog Devices AD5758 配合使用（見圖3）。通過ADP1031和AD5758的組合，能夠針對基本300V隔離要求提供認證，從而加快設計過程，是工程師應該考慮的低風險路徑。

圖3：為ADI公司AD5758 DAC供電的模擬輸出應用。 （來源：ADI公司）

變壓器和電感的選擇

在優(yōu)化ADP1031反激式轉換器的設計時，必須考慮變壓器的選擇。ADP1031的反饋方案不再需要反激變壓器中的反饋繞組，因而該反激變壓器只包含一個初級繞組和一個次級繞組，這種簡化導致了具有更低DCR和更低漏感的小型變壓器，并且可以選擇現(xiàn)成的商用變壓器，使設計工程師的設計工作更加輕松。選擇一個設計好的，具有低漏電感和低d.c電阻的微型變壓器，對于設計的EMI特性和能效會有非常大影響。所需的變壓器比率將由選擇的輸入和輸出電壓來確定。通過與ADI公司合作，變壓器專業(yè)廠商Coilcraft開發(fā)了兩款專門與ADP1031器件配合使用的變壓器，它們分別是 Coilcraft WA8478 和 Coilcraft YA9293 ，兩者的變壓器比率比例均為1：1，可允許4.5V～60V的輸入電壓，具有2250Vrms的隔離度，并采用了爬電距離和電氣間隙等設計用于基本絕緣。這些變壓器還通過AEC-Q200 1級認證，使其適合于環(huán)境溫度范圍為-40°C～+125°C的汽車應用。WA8478的標稱漏電感為1.2μH，YA9293的標稱漏電感為1.62μH。

Coilcraft還提供PA6594-AE  47mH電感器，該電感器經過優(yōu)化，可與具備集成降壓轉換器功能的ADI公司AD5758 16位DAC IC配合使用。PA6594-AE電感器占位面積小，高度僅為1.8mm。

結論

考慮到當今空間受限的設計，可以選擇在同一封裝中集成多個功能的IC以及經過優(yōu)化的被動元件，這樣能夠幫助縮小設計所需的整體PCB面積。ADP1031通過在7mm x 9mm封裝中結合電源管理和串行通信隔離功能可以滿足這一要求，結合使用ADP1031與優(yōu)化的Coilcraft變壓器可以提供更高性能和更小尺寸的解決方案。