优化隔离传感器接口的功率转换

优化隔离传感器接口的功率转换

在此功率范围内，有三种基本的DC-DC转换器类型：

稳压开关电源或模块

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。

最简单的解决方案是图2所示的非稳压DC-DC转换器。

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。

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

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。

比较

表1. 技术对比

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

结论

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