隔離型µModule電源轉換器改善了信號測量準確度

引言
對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(chēng)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，當每個(gè)組件的接地平面連線(xiàn)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、泵、開(kāi)關(guān)穩壓器和數字處理器所產(chǎn)生的傳導 EMI，它們的特性是功率需求變化很快，電流常常達幾十安培 (圖 1)。這些接地平面擾動(dòng)會(huì )導致重大的測量誤差。測量傳感器所在位置的接地電位與 ADC 進(jìn)行模擬信號至數字信號轉換的位置之的接地電位可能并不相同。于是，最終產(chǎn)生的數字信號會(huì )由于兩個(gè)接地電位之間存在電壓差而出現歪斜失真。雖然從理論上說(shuō)可以在信號處理器上對此電壓差施加補償，然而，由于其鄰近負載的電流消耗不斷變化，因此該接地電位差的大小將隨著(zhù)時(shí)間的推移而改變。面對這種情況，實(shí)施補償充其量也不過(guò)是一種令人倍感棘手的提議。再者，采用電流隔離還可保護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。

電流隔離應用
將一個(gè)大型控制系統電路設計劃分為若干較小的電流隔離分區，這是一種防避組件遭受電氣過(guò)應力損壞之風(fēng)險的巧妙策略。隔離勢壘能夠阻止任何帶電粒子的傳輸，因此各分區之間的通信將采用其他的方法進(jìn)行，例如：光、無(wú)線(xiàn)、電容性或磁性等方式。任何電源軌和 / 或接地擾動(dòng)都可以輕而易舉地損壞由 ADC、放大器、電壓基準和換能器組成的 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 (具體數值取決于其性能)。作為一種預防措施，加進(jìn)了 500VAC (約 710VDC) 的電流隔離，以在短路故障導致輸入電源電壓超過(guò)組件的絕對最大額定電壓的情況下對這些器件提供保護。假如發(fā)生此類(lèi)故障，則其造成的損壞將被限制在整個(gè)控制系統的一個(gè)小的分區或部分之中。此外，還最大限度地抑制了接地擾動(dòng)，有關(guān)內容將在下一節中討論。這樣，受損的分區就可以作為標準的“現成有售”替換單元進(jìn)行備置或采購，從而省時(shí)省力地實(shí)現系統的全面恢復。

圖 1：將敏感的數據轉換器、放大器及基準的電源和
地電壓軌與其他大電流電源通路相隔離，可改善信號分辨率和可靠性。

功率的正確平衡
通過(guò)在可提供一個(gè)較干凈和更穩定地電位系統的噪聲大電流和低電流部分之間建立一個(gè)電勢壘，隔離型電源轉換器能夠保持信號準確度。特別地，輸出功率低于 2W 的隔離型 DC/DC 轉換器可為由一個(gè)放大器、ADC、換能器及電壓基準組成的一個(gè)或更多的傳感器單元提供充足的功率 (圖 2)。當隔離分區消耗的功率超過(guò) 2W 時(shí)，則有可能開(kāi)始經(jīng)受同樣的接地環(huán)路問(wèn)題，這首先要求采取電流隔離。不僅如此，隨著(zhù)隔離分區復雜性的增加，其內部的附加導線(xiàn)和 PCB 印制線(xiàn)對于電噪聲發(fā)生源 (例如：來(lái)自鄰近電子線(xiàn)路的輻射 EMI) 變得愈發(fā)敏感。如果擁有一個(gè)由隔離勢壘提供保護的穩定接地平面，傳感器單元就能提供更加準確的讀數，從而改善系統控制。甚至可以把準確度提高到允許利用較高分辨率 ADC 實(shí)現系統性能升級的地步。

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

傳統隔離型轉換器的局限性
500VAC (約 710VDC) 隔離所采用的傳統電源轉換器支持工業(yè)和商業(yè)應用的能力有限。其中許多電源轉換器的最大內部工作溫度為 +85°C。把內部功率損失與封裝熱阻的影響考慮進(jìn)去，當環(huán)境溫度介于 +50°C 至 +65°C 之間時(shí)，傳統轉換器的輸出功率可能就要開(kāi)始降額使用了，所留的余量極小。雖然冷卻系統可以提供一定的幫助，但又會(huì )帶來(lái)其他的問(wèn)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)準確度為 ±10% 的 12V 或 24V 輸入，這與未調整電源或可用電壓范圍變化幅度達 ±12% 至 ±14% 的工業(yè)鋰離子電池是不兼容的。雖然傳統隔離型轉換器可提供諸如 3.3V 和 5V 的常用固定輸出電壓，但對于外部 3.3V 或 5V 基準以及相似輸出電壓 LDO 后置穩壓器的 0.1V 或更大的壓差電壓，它們均不具備任何與之相適應的靈活性?？赏ㄟ^(guò)實(shí)現后者 (即 LDO 后置穩壓器) 來(lái)減小 A/D 轉換器的輸入電源紋波。隨著(zhù)控制系統變得日益復雜，需要采用額外的隔離傳感器分區來(lái)支持數目更多的信號通道，以提供有關(guān)系統性能的深層信息。與此同時(shí)，由于板級空間十分有限，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 電源轉換器的新進(jìn)展解決了上述問(wèn)題。

傳統隔離型轉換器的局限性：

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

•±10% 的輸入電源準確度要求導致無(wú)法采用未調整電源或者在使用壽命期間電壓變化幅度達 ±14% 的電池來(lái)工作

•在內部固定的輸出電壓不適應 3.3V / 5V 輸出電壓基準及 LDO 后置穩壓器的壓差電壓

新型 500VAC (約 710VDC) 隔離式轉換器
應對上述局限性的一種解決方案是 LTM8048，這是一款 725VDC 隔離型 μModule® 電源轉換器。作為一款節省空間的 1.5W 輸出解決方案，LTM8048 將電源開(kāi)關(guān)、控制器、變壓器和補償電路內置于一個(gè) 9 x 11.25 x 4.92mm BGA 封裝之中，只需極少的外部組件 (圖 3)。與傳統的隔離型電源解決方案相比，這款轉換器在工作溫度、輸入和輸出電壓范圍等指標上有所改進(jìn)。額定功率為 1.5W 的 LTM8048 保證能在高達 +125°C 的內部溫度條件下運作，可更好地適應工業(yè)和商業(yè)應用的工作環(huán)境，例如：自然資源輸送基礎設施、渦輪、電池管理和安保設備。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整開(kāi)關(guān)電源或各種各樣的電池組來(lái)供電。而且，轉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)內部 LDO 負責提供介于 1.2V 至 12V 之間的任何輸出電壓，此電壓可簡(jiǎn)單地通過(guò)在 LTM8048 的反饋引腳與副端地之間布設合適的電阻器進(jìn)行調節。輸出電壓的紋波小于 1mV，可為 ADC 和模擬傳感器提供一個(gè)穩定的電源軌，從而實(shí)現更加準確和可重復的測量。適合 500VAC (約 750VDC) 要求的內部 725VDC 電流隔離勢壘經(jīng)過(guò)了全面的生產(chǎn)測試，旨在提供有保證的電路保護。

圖 3：LTM8048 的典型應用

結論
對于保護由 ADC 轉換器、基準、放大器和換能器組成的低功率傳感器單元及保持其準確度而言，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)行正確和可靠的數據采集對于控制系統的操作至關(guān)重要。在大多數場(chǎng)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。盡管傳統的低功率電流隔離型 DC/DC 轉換器提供了值得信賴(lài)且有效的勢壘，但它們在輸入電壓范圍、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 隔離型轉換器通過(guò)改進(jìn)輸入電壓范圍、輸出電壓范圍和工作溫度等指標拓展了應用的可能性。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，測試結果可在線(xiàn)查詢(xún)。對于那些正在尋求 725VDC 隔離型 DC/DC 電源解決方案的設計工程師來(lái)說(shuō)，如今他們有了一款更加靈活和緊湊的可選產(chǎn)品。