采用高集成度电源管理IC缩小工业设计体积

工业制造业正在经历巨大的变革。受工业4.0和工业物联网（IIoT）等政府倡导的计划驱动，行业组织都在积极热衷于获取和利用从庞大传感器网络中收集的数据。这种机制具有许多潜在的好处，能够产生可提高生产运营效率的分析性建议，而相关工厂可以实施预测性维护、修理和操作（MRO）方案。就这种应用而言，对磨损部件的状态进行监视（例如，通过振动传感器检测电机的轴承磨损）至关重要。这些新见解以及优化运营的能力可以帮助相关的机构释放潜能，将其设施完全转换为基于服务的高效运营。事实上，许多工业制造设备供应商正在这样实施。

但是，要构建一个以工业数据为导向的环境需要大量设备，这些包括从紧凑型传感器和强大的通信网关，到必不可少的可编程控制器等硬件。这些设备不仅其相关的成本很高，而且还需要考虑将其放置在工厂车间的位置。通常工厂车间的空间非常宝贵，因此特定生产线的所有控制设备通常都需要布置在单个控制柜内。反过来，这意味着需要把越来越多的电子系统压缩到有限的空间中。为了创建更小的设计，工程师需要选择体积尽可能小的被动元件和IC。除了体积小巧之外，这些组件还必须具有优化的热管理和低EMI特性，以便实现更高程度的集成，因此最终解决方案必须更加紧凑，并且要避免出现热管理方面的问题，它们必须具有更高的能源效率。

应用实例

除了使设计体积更小之外，工程师还必须努力开发产品使之能够在电气噪声环境中可靠地运行。更高的自动化程度意味着更多地使用电动设备，而使用电机和执行器等设备可能产生高压瞬态。瞬态尖峰会损坏灵敏的电路，并干扰传感器测量值的精确读取，尤其是涉及有模拟信号参与其中的情况。当今的发展趋势是在测量完成之后尽快将模拟信号转换为数字式，但这仍然会使模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）电路容易受到此类传导瞬态影响。对信号的电气或电流隔离，是一种能够减轻瞬态影响的技术。隔离也需要避免损坏所连接的电路，以及满足电气安全认证的要求，传感器与其关联ADC和主机微控制器之间的隔离是一个需要谨慎考虑的步骤。在状态监视示例中，传感器直接连接到由线路供电的电机，这为杂散电压提供了返回主机的潜在路径。隔离需要确保传感器或ADC上存在的破坏性电压尖峰或泄漏电流永远不会到达微控制器。在此示例中，ADC也将需要由隔离式电源供电。为了实现这种高隔离度，需要对电源和数据信号都进行隔离，并且通常使用带隔离功能的DC-DC转换器和数字信号隔离IC，见图1。

图1：连接到主机微控制器的状态监控模拟前端功能框图。（来源：贸泽电子）

减少BOM和PCB占用空间

通过将电源转换和管理集成在一起，电源隔离和数字信号隔离（SPI）集成在单个IC中，不仅可以节省大量的电路板空间，而且还可以减少物料清单。ADI公司的 ADP1031 就是这样一个IC示例，它将所有这些功能集成到一个LFCSP 7mm x 9mm紧凑型封装，能够在4.5V～60V的宽电源电压范围内工作，在微功耗管理单元（PMU）中内置有3个微功耗DC-DC转换器，包括一个隔离式反激稳压器，一个反相稳压器和一个降压转换器。ADP1031可提供高达2.0W的总功率，效率在80％至90％之间。就架构而言，它包含四个双向高速隔离通道（可容纳一个SPI接口）、三个隔离通用I/O通道（使用ADI公司的iCoupler专利技术），见图2。

图2：ADI公司带有七个数字隔离器的ADP1 031三通道、隔离式微功耗管理单元的主要功能，图中包括了反激式转换器变压器等外部组件。（来源：ADI公司）

ADP1031的电源管理单元除了具有许多可编程反激和逆变器转换器选项以外，还具有软启动上电、输入过流和输出过压保护等功能。ADP1031内置一个用于反激式转换器的MOSFET开关，仅需要最少量的外部被动元件和反激式隔离1：1比率变压器即可工作，所有三个电源域的输入至输出隔离为300V。此外，ADP1031除了符合CISPR11（EN 55011）B类辐射水平外，还可以控制转换器的转换率（slew rate），从而有助于改善电磁干扰（EMI）性能。

ADP1031经过优化，可与ADI公司的单通道16位分辨率 DAC IC Analog Devices AD5758 配合使用（见图3）。通过ADP1031和AD5758的组合，能够针对基本300V隔离要求提供认证，从而加快设计过程，是工程师应该考虑的低风险路径。

图3：为ADI公司AD5758 DAC供电的模拟输出应用。 （来源：ADI公司）

变压器和电感的选择

在优化ADP1031反激式转换器的设计时，必须考虑变压器的选择。ADP1031的反馈方案不再需要反激变压器中的反馈绕组，因而该反激变压器只包含一个初级绕组和一个次级绕组，这种简化导致了具有更低DCR和更低漏感的小型变压器，并且可以选择现成的商用变压器，使设计工程师的设计工作更加轻松。选择一个设计好的，具有低漏电感和低d.c电阻的微型变压器，对于设计的EMI特性和能效会有非常大影响。所需的变压器比率将由选择的输入和输出电压来确定。通过与ADI公司合作，变压器专业厂商Coilcraft开发了两款专门与ADP1031器件配合使用的变压器，它们分别是 Coilcraft WA8478 和 Coilcraft YA9293 ，两者的变压器比率比例均为1：1，可允许4.5V～60V的输入电压，具有2250Vrms的隔离度，并采用了爬电距离和电气间隙等设计用于基本绝缘。这些变压器还通过AEC-Q200 1级认证，使其适合于环境温度范围为-40°C～+125°C的汽车应用。WA8478的标称漏电感为1.2µH，YA9293的标称漏电感为1.62µH。

Coilcraft还提供PA6594-AE  47mH电感器，该电感器经过优化，可与具备集成降压转换器功能的ADI公司AD5758 16位DAC IC配合使用。PA6594-AE电感器占位面积小，高度仅为1.8mm。

结论

考虑到当今空间受限的设计，可以选择在同一封装中集成多个功能的IC以及经过优化的被动元件，这样能够帮助缩小设计所需的整体PCB面积。ADP1031通过在7mm x 9mm封装中结合电源管理和串行通信隔离功能可以满足这一要求，结合使用ADP1031与优化的Coilcraft变压器可以提供更高性能和更小尺寸的解决方案。