在工業控制領域，只有幾件事是確定的;下一個產品將具有更小的外形尺寸，更多的通道，并且每個通道的目標成本更低。期望自上次設計以來，技術已經改進，所有這些都是可能的。在很大程度上，這就是過去事情的發展方式，你的運氣可能很好。

從光耦合器時代到最新的高速低功耗、緊湊型數字隔離器，數據接口一直在穩步改進。在本文中，我們將研究隔離傳感器接口的一個方面，該接口受到的關注比應有的少。我們如何為ADC和調理電路提供隔離電源，同時縮小接口尺寸并提高性能？過去，模擬接口板的通道數不高，因此電路板上有足夠的空間來設計一個適度的DC-DC轉換器，以便為傳感器接口供電。功耗不是大問題，因為一個模塊只有一個或兩個接口。目前，如圖1所示，模擬PLC模塊可以有16個、<>個甚至<>個獨立的隔離通道。適度的DC-DC轉換器的多個副本會占用大量空間并產生大量熱量。

圖1.典型的多通道傳感器接口

從討論功耗開始的好地方是使用通用模擬接口，如圖1所示。有源電路由一個信號調理元件（如運算放大器或儀表放大器）和一個帶有串行接口的ADC組成，該串行接口可通過數字隔離器通道與FPGA接口。該電路通常需要明顯低于150 mW的功率。

為傳感器接口供電的基本挑戰是優化電源，使其在所需的功率范圍內正常工作。在0 mW至150 mW下工作意味著構成電源的控制器和反饋元件的固定靜態功耗將占所用總功率的很大一部分，因此效率會降低。這可以從表1中各種電源配置的靜態電流值中看出?；蛘?，許多簡單的電源設計需要最小負載才能正常工作，因此必須將功率浪費在阻性死負載中，以確保電源正常工作。雖然將555定時器和晶體管放在電路板上并獲得一些功率非常簡單，但很難制造出在低功率水平下工作的高效可靠的電源。

此功率范圍使用的DC-DC轉換器有三種基本類別：

非穩壓開關電源或模塊

穩壓開關電源或模塊

芯片級電源轉換器

這些電源架構中的每一個都需要增加控制電路的復雜性，并且在前兩個選項中，需要增加元件數量和解決方案尺寸

不受管制的電源

最簡單的解決方案是非穩壓DC-DC轉換器，如圖2所示。

圖2.非穩壓直流-直流模塊

該設計使用固定頻率固定占空比輸入開關來創建經過整流和濾波的次級側電源。所選變壓器的額定隔離電壓需要達到應用所需的隔離電壓。隔離要求越高，變壓器的PCB尺寸和高度就越大。該解決方案的成本由變壓器主導，因此在合理的體積下，分立解決方案的成本低于1.00美元。

實現低成本的代價是輸出電壓隨負載和溫度的變化很大，這使得模擬接口的模擬元件的選擇更加困難。模擬接口中的所有模擬元件必須具有出色的電源抑制性能，并且負載不能快速變化，否則可能會引起明顯的電源變化。這會導致更高的組件成本，或者至少需要更多的工程時間來評估極端條件下的解決方案。非穩壓電源可以具有相當高的效率，但電源質量較低。

穩壓電源和模塊

穩壓電源提供更好的輸出特性。圖3顯示了1 W功率范圍內的典型DC-DC模塊。

圖3.穩壓直流至直流模塊

控制器將電源切換到變壓器，類似于上面的非穩壓示例。選擇變壓器的功率電平和匝數比是為了在最大負載下提供足夠的電壓，使LDO能夠將輸出電壓調節到穩定的水平。該方案在高負載下具有良好的功率效率，但在低負載時效率較差。這正是我們的模擬接口應用程序運行的地方。

有許多有源穩壓方案可以在整個負載范圍內實現更高的效率，但它們需要更復雜的控制電路，并且大多數都需要跨越隔離柵的反饋通道。這大大增加了設計的成本和尺寸，對于此功率范圍內的模塊，通常不會這樣做。

由于難以將變壓器集成到組件中，這些電源的集成尚未超過灌封模塊或PCB子卡。制造商在減小這些設備的尺寸方面取得了有限的成功。

芯片級轉換器

ADI公司為i耦合器數字隔離器產品開發的芯片級變壓器技術創造了一類新的DC-DC轉換器。該技術非常適合低功耗、高功能電源設計。變壓器是“空氣芯”，這意味著變壓器中不存在磁性材料。這意味著這些微型變壓器的最高Q值約為125 MHz。開關頻率如此之高，以至于改變開關信號的占空比來控制功率是不切實際的。相反，控制電路對整個振蕩器進行柵極和導通，以調節次級振蕩器的電壓。?

變壓器足夠小，可以集成到具有內部分離引線框架的標準IC封裝中。隔離柵兩側的正向功率和輸出反饋所需的所有組件都可以集成到一對硅芯片中，無需分立的外部組件，并允許實現高級功能。芯片級電源轉換器可以包含完全穩壓DC-DC電源的所有功能，在低負載條件下提供嚴格的穩壓和良好的效率。

圖4.ADuM5010芯片級轉換器

比較

讓我們看一些實際的例子來說明我們討論過的設計之間的差異。表1顯示了兩個功率模塊和一個芯片級轉換器的特性比較。所選的 TI 模塊是最接近傳感器接口要求中確定的 0 mW 至 150 mW 范圍的常用模塊。

大多數設計人員需要做出節能設計。表1中跳出的是非穩壓解決方案的效率，但選擇該解決方案存在缺點。該模塊的額定功率為1 W，其數據手冊甚至沒有將其性能評為低于100 mW。輸出電壓很可能明顯高于額定值，效率迅速下降。

下一個最高效率是穩壓模塊。它的額定值可在輕負載下使用，并且性能良好。但是，如果我們實際查看穩壓模塊與芯片級轉換器的效率，圖5顯示，由于芯片級轉換器具有有源反饋調節功能，因此其效率上升到最終值的速度要快得多，因此在0 mA至15 mA負載之間，芯片級解決方案實際上效率更高。這是原始模擬接口定義中確定的大部分目標范圍。因此，芯片級解決方案是更好的選擇，即使它的最大效率最低。

圖5.DC-DC穩壓模塊的效率與芯片級轉換器的比較

解決方案大小是下一個比較點。模塊化解決方案均為 180 mm2在PCB上，未穩壓模塊實際上有10毫米高，不僅占用電路板空間，而且可能是電路板上最高的項目，決定了我們理論模塊的外殼尺寸。同樣，顯而易見的選擇是采用薄型SSOP20 JEDEC標準封裝的芯片級模塊，尺寸為55 mm2，加上一些旁路電容器和兩個電阻器。

與非穩壓解決方案相比，選擇穩壓解決方案的優勢在于模擬前端ADC和放大器的電源抑制。更好的調節允許在選擇完成所需測量工作的組件時具有更大的靈活性，而不是將選擇限制在具有最佳電源抑制數的器件上。

模塊化和分立式解決方案與芯片級解決方案之間的最后一個區別因素是工作頻率。開關電流會在電源上產生噪聲和紋波。在許多情況下，模塊的工作頻率范圍為200 kHz至1 Mhz，這與許多傳感器應用的頻率采樣率相對應。必須注意正確濾除或消除電源噪聲中的數據。芯片級解決方案的主功率振蕩器運行頻率為125 MHz，遠高于大多數工業傳感器ADC的采樣頻率。由于功率振蕩器的PWM控制，仍然存在紋波，但最大的噪聲源高于ADC的帶寬，并且易于濾除。

芯片級轉換器的其他優勢

僅基于尺寸效率，芯片級轉換器是此應用的不錯選擇。但是，該技術還有許多其他優點。讓我們詳細了解新型隔離式電源轉換器ADuM5010。該器件可在模擬接口所需的低功率范圍內提供電信DC-DC轉換器的性能。

輸出電壓無級可調。ADuM5010通過副邊的分壓器設置輸出電壓。電壓范圍為3.15 V至5.5 V。許多模擬ADC和運算放大器采用非標準電源軌工作，因此可以調節電壓以利用最佳電源條件。

熱關斷功能可在短路過載條件下保護電源，尤其是在可能超過最大芯片溫度的高環境溫度下。熱關斷在154°C時跳閘，芯片必須冷卻10°C，器件才會自動重啟。無需外部處理器干預即可重新啟動電源。

軟啟動是通過PWM的初級側控制來實現的。這允許該器件以可忽略不計的浪涌電流開始。當多個器件同時啟動時，浪涌電流會壓倒弱的直流輸入電源軌，并導致不可預測的操作。

初級側電源禁用允許轉換器關斷至非常低的待機狀態。此功能與軟啟動相結合，可以實現節能方案，在測量之間關閉傳感器的電源。

初級側輸入電源上的欠壓鎖定 （UVLO）。該特性可防止轉換器在低輸入電源軌下啟動。這允許輸入電源在下游ADuM5010嘗試耗電之前進行大量充電。

完全認證的隔離。這可以減少模塊的型式測試，并消除生產過程中的在線測試。

結論

模擬傳感器接口應用專為大多數PLC應用而設計，需要隔離數字通信和電源。功率水平非常低，低于大多數DC-DC轉換器可以高效且可預測地工作。但是，該接口從具有良好調節和性能良好的電源中受益匪淺。ADuM5010隔離式芯片級轉換器非常適合隔離式模擬輸入的要求，具有150 mW功率和一組通常只有高功率DC-DC轉換器才具備的特性。該器件是將電源與隔離數據通道相結合的器件系列的純電源版本。ADuM521x雙通道數據通道器件允許將數據接口組合在一起，從而節省更多空間。隨著線路的發展，通道數較高的設備將填充該線路。這允許以最少的設計工作安全簡單地施加電源。

審核編輯：郭婷