工厂车间的抗干扰性

作者：Timur Uludag，Würth Elektronik eiSos MagI³C电源模块高级技术营销经理

工业环境通常需要可靠且无干扰的电源。通常，工厂的不同部件由直流总线系统供电。本文解释了如何在低电压范围内实现这种低干扰双极电源。
典型的工业工厂通常需要使用许多不同的元件来实现安全操作，如隔离放大器、模数转换器、数字电路的隔离、接口/总线隔离以及测量和数据采集。所有这些应用的共同点是，它们需要将其电源电压与总线电压隔离。

高效是关键
作为一种隔离的DC/DC转换器，具有电流隔离的电源模块为工业应用中的模数转换器（ADC）提供了可靠的电源。FIMM系列隔离微模块1769205132（固定隔离微模块）使用小芯片SIP技术将尺寸减小了80%，从而形成尺寸为9x7x3.1 3mm³的模块。与标准SMT-8电源模块相比，板空间要求减少了50%以上（9x7 mm²对13.2x12.2 mm²）。
MagI³C电源模块1769205132基于全桥拓扑结构。该模块集成了开关功率级、控制电路、整流二极管、输入和输出电容器以及变压器（图1）。由于没有从输出到输入的反馈路径，所以占空比固定在50%，并且与负载无关。输出电压不受调节，由变压器匝数比决定。在没有任何输出电流降额的情况下，1 W的输出功率可以提供到T_A=100°C的环境温度。由于该设计，初级侧和次级侧之间的寄生耦合电容具有8pF的典型值，这确保了与高频干扰的高度解耦，并减轻了共模干扰从转换器的初级开关侧传播到次级侧的可能性。凭借91%的效率，它是Würth Elektronik完整的隔离电源模块组合中的产品。
 

图1：FIMM系列的隔离微模块1769205132的结构。它包括半导体集成电路、整流二极管、输入和输出电容器以及变压器

为敏感ADC和传感器供电
测量和数据采集等应用通常使用ADC构建，ADC将模拟测量值（如温度值或电流）转换为数字量。对于正极和负极测量信号的采集，需要双电压电源。通常在此类应用中使用±5V的电源。
ADC可以提供的分辨率，即它有效地使多少位可用，除其他外，取决于电源电压的噪声分量。
图2中应用中的红色电路板从5V的输入电压产生±5V的电流隔离双电压。电路的特殊特征是输出处的残余纹波非常低，并且输入和输出之间的宽带去耦。


图2：使用去耦双电压电源的传感器应用示例（红色板）

双电压电源基本上由四个不同的功能块组成（图3）：


图3：去耦双电压电源（图3中的红色板）包括输入侧的保护电路、输入侧的滤波器、电源模块（FIMM）和输出侧的滤波器

1） 输入保护电路：保护电路集成了反极性保护和电压瞬态保护。
2） 输入滤波器：第一级滤波器用于衰减传导干扰电平。由DC/DC转换器的开关操作在电源方向上产生的谐波的幅度减小。另一方面，干扰可以通过电源到达功率模块，并被滤波器衰减。
3） 电源模块：电源模块本身转换电压，并在输入和输出之间提供电流隔离。
4） 输出滤波器：电源模块提供的电流是直流电流与交流分量的叠加。交流分量是滤波器降低振幅的部分，以便为要提供的应用程序（如ADC）提供“干净”的直流电压。

输入保护电路
输入侧的保护电路采用两级设计（图3左图）。
二极管D1完成两个任务。它保护输入免受负瞬态干扰，并防止在电压极性反向的情况下损坏电源模块的输入。当正向电压为0.3 V@0.3 A时，它将电压箝位到低于为电源模块指定的最大工作值的值。
二极管D2保护电路免受正电压瞬变的影响。在从阴极到阳极的6到9V之间的正电压瞬态下，二极管D2导通。有效箝位电压通常为5.7V，因此在功率模块的绝对最大额定值的范围内。

输入滤波器
电源模块以300kHz的典型内部开关频率工作。上游电源通常具有50到500kHz的开关频率。这导致滤波器组合在大约100kHz下已经具有大约50到75dB的衰减，以便对瞬态干扰进行滤波。
C1、L1和C2的组合形成了π滤波器结构。选择各个滤波器组件的值的目的是从100kHz开始提供大约50dB的插入损耗。
图4显示了第一级滤波器的插入损耗曲线。这里可以清楚地看到，从50kHz可以实现大约80dB的衰减。


图4：在RedExpert中模拟的第一级滤波器的插入损耗图。在这里可以清楚地看到，从50kHz开始，已经实现了大约80dB的衰减

可以使用REDEXPERT[1]中的滤波器设计者进行计算/模拟。该工具使用基于测量的组件真实情况进行计算。通过这种方式，模拟结果与真实组件更好地对应。插入损耗的计算是在源和负载阻抗为50Ω的情况下进行的。对于实践中的高插入损耗来说，重要的是避免部件之间耦合的RF兼容设计。

输出滤波器
由于其工作原理，DC/DC转换器的输出电压不像例如线性稳压器那样提供纯DC电压。更确切地说它是直流电压与叠加的交流分量的组合。交流分量在数据表中被指定为“输出电压纹波和噪声”值，单位为mV_PP，表示输出电压的峰间振幅。ADC电路在这里是敏感的，因为它们只能在来自其电源的小干扰信号下最佳工作，该干扰信号必须低于ADC的分辨率。
右侧图3所示的电路是一个滤波器，用于降低输出侧FIMM的干扰电压。线性双端口滤波器由耦合电感、绕组L2a/L2b以及电容器C3和C4组成。
绕组L2a将直流分量传导到负载（类似于“平流扼流圈”），而交流分量通过绕组L2b和电容器C4流到地。电容器C4的阻抗行为使其将高频分量放电到地。
两个绕组之间的磁耦合，即由耦合因子k描述的负反馈电感，对于滤波器功能至关重要。
由于耦合电感的两个绕组的绕组取向，流过绕组L2b的电流的AC部分被转移到绕组L2a。然后将电流的AC部分叠加在DC（AC）电流上，从而在负载电流中抵消AC部分，并通过磁耦合进行补偿，从而减小AC部分。
系数k用于表示两个线圈绕组之间的耦合，值1表示两个绕组之间的100%耦合。理想情况下，应使用小于0.98的k。这里使用的耦合电感器WE-DD 744877220具有大约0.98的耦合系数。所使用的电容器必须具有尽可能低的ESR值，以实现所需的滤波效果。例如，铝聚合物电容器WCAP-PTHR 870055673002，其ESR值在1 kHz至50 MHz的频率范围内小于100 mΩ，可以用作22µF电容器。

FIMM布局建议
必须注意FIMM模块有两个独立的接地连接：引脚1和2用于初级侧，引脚3和4用于次级侧。
有关布局的更多详细信息，请参阅FIMM[2]的数据表“设计示例”一节。ALTIUM的布局建议可从“下载”部分的在线目录[2]中获得。
www.we-online.com/en
 
参考文献
[1] RedExpert Filter-Designer: https://redexpert.we-online.com/we-redexpert/en/-/emifd-embedded/
[2] Data sheet of the FIMM In the section "DESIGN EXAMPLE": https://www.we-online.com/katalog/en/MAGIC-FIMM