采用高集成度電源管理IC縮小工業(yè)設(shè)計(jì)體積

工業(yè)制造業(yè)正在經(jīng)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(dǎo)的計(jì)劃驅(qū)動(dòng)，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(luò)中收集的數(shù)據(jù)。這種機(jī)制具有許多潛在的好處，能夠產(chǎn)生可提高生產(chǎn)運(yùn)營效率的分析性建議，而相關(guān)工廠可以實(shí)施預(yù)測性維護(hù)、修理和操作（MRO）方案。就這種應(yīng)用而言，對磨損部件的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視（例如，通過振動(dòng)傳感器檢測電機(jī)的軸承磨損）至關(guān)重要。這些新見解以及優(yōu)化運(yùn)營的能力可以幫助相關(guān)的機(jī)構(gòu)釋放潛能，將其設(shè)施完全轉(zhuǎn)換為基于服務(wù)的高效運(yùn)營。事實(shí)上，許多工業(yè)制造設(shè)備供應(yīng)商正在這樣實(shí)施。

但是，要構(gòu)建一個(gè)以工業(yè)數(shù)據(jù)為導(dǎo)向的環(huán)境需要大量設(shè)備，這些包括從緊湊型傳感器和強(qiáng)大的通信網(wǎng)關(guān)，到必不可少的可編程控制器等硬件。這些設(shè)備不僅其相關(guān)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(chǎn)線的所有控制設(shè)備通常都需要布置在單個(gè)控制柜內(nèi)。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(shè)計(jì)，工程師需要選擇體積盡可能小的被動(dòng)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(shí)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(yīng)用實(shí)例

除了使設(shè)計(jì)體積更小之外，工程師還必須努力開發(fā)產(chǎn)品使之能夠在電氣噪聲環(huán)境中可靠地運(yùn)行。更高的自動(dòng)化程度意味著更多地使用電動(dòng)設(shè)備，而使用電機(jī)和執(zhí)行器等設(shè)備可能產(chǎn)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(dāng)今的發(fā)展趨勢是在測量完成之后盡快將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字式，但這仍然會使模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）電路容易受到此類傳導(dǎo)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(shù)。隔離也需要避免損壞所連接的電路，以及滿足電氣安全認(rèn)證的要求，傳感器與其關(guān)聯(lián)ADC和主機(jī)微控制器之間的隔離是一個(gè)需要謹(jǐn)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(jī)，這為雜散電壓提供了返回主機(jī)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(yuǎn)不會到達(dá)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(shí)現(xiàn)這種高隔離度，需要對電源和數(shù)據(jù)信號都進(jìn)行隔離，并且通常使用帶隔離功能的DC-DC轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號隔離IC，見圖1。

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

減少BOM和PCB占用空間

通過將電源轉(zhuǎn)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(gè)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(gè)IC示例，它將所有這些功能集成到一個(gè)LFCSP 7mm x 9mm緊湊型封裝，能夠在4.5V～60V的寬電源電壓范圍內(nèi)工作，在微功耗管理單元（PMU）中內(nèi)置有3個(gè)微功耗DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括一個(gè)隔離式反激穩(wěn)壓器，一個(gè)反相穩(wěn)壓器和一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器。ADP1031可提供高達(dá)2.0W的總功率，效率在80％至90％之間。就架構(gòu)而言，它包含四個(gè)雙向高速隔離通道（可容納一個(gè)SPI接口）、三個(gè)隔離通用I/O通道（使用ADI公司的iCoupler專利技術(shù)），見圖2。

圖2：ADI公司帶有七個(gè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器選項(xiàng)以外，還具有軟啟動(dòng)上電、輸入過流和輸出過壓保護(hù)等功能。ADP1031內(nèi)置一個(gè)用于反激式轉(zhuǎn)換器的MOSFET開關(guān)，僅需要最少量的外部被動(dòng)元件和反激式隔離1：1比率變壓器即可工作，所有三個(gè)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(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換率（slew rate），從而有助于改善電磁干擾（EMI）性能。

ADP1031經(jīng)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(rèn)證，從而加快設(shè)計(jì)過程，是工程師應(yīng)該考慮的低風(fēng)險(xiǎn)路徑。

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

變壓器和電感的選擇

在優(yōu)化ADP1031反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)初級繞組和一個(gè)次級繞組，這種簡化導(dǎo)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(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)工作更加輕松。選擇一個(gè)設(shè)計(jì)好的，具有低漏電感和低d.c電阻的微型變壓器，對于設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)用于基本絕緣。這些變壓器還通過AEC-Q200 1級認(rèn)證，使其適合于環(huán)境溫度范圍為-40°C～+125°C的汽車應(yīng)用。WA8478的標(biāo)稱漏電感為1.2μH，YA9293的標(biāo)稱漏電感為1.62μH。

Coilcraft還提供PA6594-AE  47mH電感器，該電感器經(jīng)過優(yōu)化，可與具備集成降壓轉(zhuǎn)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(jié)論

考慮到當(dāng)今空間受限的設(shè)計(jì)，可以選擇在同一封裝中集成多個(gè)功能的IC以及經(jīng)過優(yōu)化的被動(dòng)元件，這樣能夠幫助縮小設(shè)計(jì)所需的整體PCB面積。ADP1031通過在7mm x 9mm封裝中結(jié)合電源管理和串行通信隔離功能可以滿足這一要求，結(jié)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。