隔离型µModule电源转换器

日期:2012-02-27

  作者:Willie Chan,高级产品市场工程师,凌力尔特公司

  对于那些正在寻求 725VDC 隔离型 DC/DC 电源解决方案的设计工程师来说,如今他们有了一款更加灵活和紧凑的可选产品。

  对于因变化不定的电位所引起的接地平面中的扰动 (常被称为接地环路) 而言,正确实施的电流隔离是一种有效的防护举措。由于物理限制的原因,PCB 上的电气组件必需在不同的物理位置与接地平面相连。因此,当每个组件的接地平面连线与电路板的寄生元件共同作用时,就会产生大量的变动电位。诱发接地环路的另一个重要因素是由大电流电机、泵、开关稳压器和数字处理器所产生的传导 EMI,它们的特性是功率需求变化很快,电流常常达几十安培 (图 1)。这些接地平面扰动会导致重大的测量误差。测量传感器所在位置的接地电位与 ADC 进行模拟信号至数字信号转换的位置之的接地电位可能并不相同。于是,最终产生的数字信号会由于两个接地电位之间存在电压差而出现歪斜失真。虽然从理论上说可以在信号处理器上对此电压差施加补偿,然而,由于其邻近负载的电流消耗不断变化,因此该接地电位差的大小将随着时间的推移而改变。面对这种情况,实施补偿充其量也不过是一种令人倍感棘手的提议。再者,采用电流隔离还可保护下游器件免遭可能具有破坏性的电源轨瞬变或短路事件的损坏。

  电流隔离应用

  将一个大型控制系统电路设计划分为若干较小的电流隔离分区,这是一种防避组件遭受电气过应力损坏之风险的巧妙策略。隔离势垒能够阻止任何带电粒子的传输,因此各分区之间的通信将采用其他的方法进行,例如:光、无线、电容性或磁性等方式。任何电源轨和 / 或接地扰动都可以轻而易举地损坏由 ADC、放大器、电压基准和换能器组成的 5V 或更低电压的低功率传感器单元,这些组件的综合功耗常常低于 1W (具体数值取决于其性能)。作为一种预防措施,加进了 500VAC (约 710VDC) 的电流隔离,以在短路故障导致输入电源电压超过组件的绝对最大额定电压的情况下对这些器件提供保护。假如发生此类故障,则其造成的损坏将被限制在整个控制系统的一个小的分区或部分之中。此外,还最大限度地抑制了接地扰动,有关内容将在下一节中讨论。这样,受损的分区就可以作为标准的“现成有售”替换单元进行备置或采购,从而省时省力地实现系统的全面恢复。

  图 1:将敏感的数据转换器、放大器及基准的电源和地电压轨与其他大电流电源通路相隔离,可改善信号分辨率和可靠性。

  功率的正确平衡

  通过在可提供一个较干净和更稳定地电位系统的噪声大电流和低电流部分之间建立一个电势垒,隔离型电源转换器能够保持信号准确度。特别地,输出功率低于 2W 的隔离型 DC/DC 转换器可为由一个放大器、ADC、换能器及电压基准组成的一个或更多的传感器单元提供充足的功率 (图 2)。当隔离分区消耗的功率超过 2W 时,则有可能开始经受同样的接地环路问题,这首先要求采取电流隔离。不仅如此,随着隔离分区复杂性的增加,其内部的附加导线和 PCB 印制线对于电噪声发生源 (例如:来自邻近电子线路的辐射 EMI) 变得愈发敏感。如果拥有一个由隔离势垒提供保护的稳定接地平面,传感器单元就能提供更加准确的读数,从而改善系统控制。甚至可以把准确度提高到允许利用较高分辨率 ADC 实现系统性能升级的地步。

  图 2:一个由放大器、ADC、换能器和基准组成的传感器单元中每个组件的功耗范围。总功耗低于 1W。

  传统隔离型转换器的局限性

  500VAC (约 710VDC) 隔离所采用的传统电源转换器支持工业和商业应用的能力有限。其中许多电源转换器的最大内部工作温度为 +85°C。把内部功率损失与封装热阻的影响考虑进去,当环境温度介于 +50°C 至 +65°C 之间时,传统转换器的输出功率可能就要开始降额使用了,所留的余量极小。虽然冷却系统可以提供一定的帮助,但又会带来其他的问题,涉及到成本、尺寸和可靠性 (倘若风扇失灵) 等诸多方面。其他的隔离型解决方案需要一个准确度为 ±10% 的 12V 或 24V 输入,这与未调整电源或可用电压范围变化幅度达 ±12% 至 ±14% 的工业锂离子电池是不兼容的。虽然传统隔离型转换器可提供诸如 3.3V 和 5V 的常用固定输出电压,但对于外部 3.3V 或 5V 基准以及相似输出电压 LDO 后置稳压器的 0.1V 或更大的压差电压,它们均不具备任何与之相适应的灵活性。可通过实现后者 (即 LDO 后置稳压器) 来减小 A/D 转换器的输入电源纹波。随着控制系统变得日益复杂,需要采用额外的隔离传感器分区来支持数目更多的信号通道,以提供有关系统性能的深层信息。与此同时,由于板级空间十分有限,因而需要尺寸较小的解决方案 (在较小的空间里集成更多的功能特性)。隔离型 DC/DC 电源转换器的新进展解决了上述问题。

  传统隔离型转换器的局限性:

  l +85°C 的最大内部工作温度限制了高温工业环境中的输出功率

  l ±10% 的输入电源准确度要求导致无法采用未调整电源或者在使用寿命期间电压变化幅度达 ±14% 的电池来工作

  l 在内部固定的输出电压不适应 3.3V / 5V 输出电压基准及 LDO 后置稳压器的压差电压

  新型 500VAC (约 710VDC) 隔离式转换器

  应对上述局限性的一种解决方案是 LTM8048,这是一款 725VDC 隔离型 μModule® 电源转换器。作为一款节省空间的 1.5W 输出解决方案,LTM8048 将电源开关、控制器、变压器和补偿电路内置于一个 9 x 11.25 x 4.92mm BGA 封装之中,只需极少的外部组件 (图 3)。与传统的隔离型电源解决方案相比,这款转换器在工作温度、输入和输出电压范围等指标上有所改进。额定功率为 1.5W 的 LTM8048 保证能在高达 +125°C 的内部温度条件下运作,可更好地适应工业和商业应用的工作环境,例如:自然资源输送基础设施、涡轮、电池管理和安保设备。3.1V 至 32V 的宽输入电源电压范围允许 LTM8048 直接采用不太昂贵的未调整开关电源或各种各样的电池组来供电。而且,转换器的主端输入电压还可以高于、等于或低于副端上的期望输出电压。一个内部 LDO 负责提供介于 1.2V 至 12V 之间的任何输出电压,此电压可简单地通过在 LTM8048 的反馈引脚与副端地之间布设合适的电阻器进行调节。输出电压的纹波小于 1mV,可为 ADC 和模拟传感器提供一个稳定的电源轨,从而实现更加准确和可重复的测量。适合 500VAC (约 750VDC) 要求的内部 725VDC 电流隔离势垒经过了全面的生产测试,旨在提供有保证的电路保护。

  图 3:LTM8048 的典型应用

  结论

  对于保护由 ADC 转换器、基准、放大器和换能器组成的低功率传感器单元及保持其准确度而言,隔离型电源被证实是一种行之有效方法,否则它们的性能将会受到不利的影响。利用传感器单元进行正确和可靠的数据采集对于控制系统的操作至关重要。在大多数场合,使用最新组件的整个传感器单元仅消耗不到 1W 的功率。尽管传统的低功率电流隔离型 DC/DC 转换器提供了值得信赖且有效的势垒,但它们在输入电压范围、输出电压范围、最大工作温度和尺寸等方面却存在不足。作为一种紧凑的表面贴装型解决方案,一款新的 1.5W μModule 隔离型转换器通过改进输入电压范围、输出电压范围和工作温度等指标拓展了应用的可能性。此外,所有的μModule 电源产品均凭借大量的可靠性测试提供支持,测试结果可在线查询。对于那些正在寻求 725VDC 隔离型 DC/DC 电源解决方案的设计工程师来说,如今他们有了一款更加灵活和紧凑的可选产品。

  www.linear.com.cn

  LTM8048 管窥

  LTM8048 内置一个隔离型反激式控制器、电源开关、725VDC 隔离型变压器、适量的输入和输出电容、补偿功能电路和一个可支持高达 1.5W 输出功率的低输出纹波线性稳压器 (图 4)。控制器架构和电压反馈环路使 LTM8048 能在副端上产生一个高于、低于或等于输入电压的输出电压。

  有些隔离型控制器 IC 采用光隔离器或附加的变压器绕组来提供电压信息反馈。光隔离器电路会消耗输出功率,而附加的组件则将导致电源成本与物理尺寸的增加。除此之外,光隔离器还会由于动态响应有限、非线性度、组件与组件之间的偏差以及寿命老化等因素而带来麻烦。采用额外变压器绕组的电路会遇到变压器物理尺寸和成本增加的问题,而且动态响应性能常常不尽人意。与此不同,LTM8048 控制环路则是检查反射到变压器主端的开关电压,以确定副端电流接近于零时的副端电压。这种新颖的调节方法使得 LTM8048 能够支持众多的副端输出电压,其选择简单地增设一个电阻器就能实现。

  当内部开关接通时,一个开关周期开始。电感器电流将会增大,直至达到一个内部设定的电流限值为止。电源开关两端的电压上升至: (输出电压 ÷ 副端-主端变压器匝数比) + 输入电压。当流过二极管的副端电流降至零时,电源开关引脚两端的电压降至 VIN 以下。一个不连续导通模式 (DCM) 比较器检测到该事件并重新接通开关。因此,可以采用一个比隔离型转换器小的变压器,这个变压器始终工作于连续导通模式。

  副端上的一个内部低输出纹波线性稳压器负责产生一个低纹波电源轨,以支持高准确度的 A/D 转换器和低失调放大器。当增设一个任选的 0.01μF 基准旁路电容器时,输出电压纹波在 10Hz 至 100kHz 的频率范围内将减小至 1mVp-p 和 20μVRMS以下 (图 5)。此外,该基准旁路电容器还将改善稳压器的瞬态响应。整个温度范围内的输出电压准确度为 ±2.5%。对线性稳压器提供了针对反向输入和反向输出电压的保护。

  设计创新促成了紧凑型 725VDC 隔离式变压器的成功开发,从而使得 LTM8048 隔离型 μModule 转换器在结构上较之其他解决方案拥有显著的尺寸优势。为了更加放心,在生产中对该模块进行了 100% 的全面测试 (施加了两种极性的 725V 电压,持续时间各为 1s)。

  为确保在最苛刻的条件下获得始终如一的性能,LTM8048 以严格的可靠性测试作为后盾,测试结果通过一份内容丰富的报告在线公布,至今为止尚未出现过故障。进行的可靠性测试包括工作寿命、温度循环、热冲击和电路板安装振动等等。LTM8048 的 BGA 封装非常适合在那些面向高振动环境的电子产品中使用。此外,每个 LTM8048 转换器还经受了极限工作温度下的大量生产测试,并特别谨慎地使 MP 等级器件的额定工作温度范围扩展为 -55°C 至 125°C (LTM8048MPY#PBF)。

  图 4:简化的方框图

  简化的方框图要点

  1. 具电压反馈环路的隔离型 DC/DC 控制器

  2. 低噪声低输出纹波线性稳压器

  3. 采用正向和反向极性对 725VDC 专有变压器进行了生产测试

  4. 在高达 -55°C 至 125°C 的温度范围内进行生产测试,并提供了约 20 页的测试报告作为支持器件可靠性的佐证

  (www.linear.com/8048)

  图 5: 线性稳压器产生的输出纹波小于 1mVp-p,因而可提供一个干净的电源 (CBYP = 0.01µF,COUT = 10µF)

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