隔离型μModule电源转换器正确实施电流隔离 改善信号测量准确度

 引言

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：

?• +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
?• ±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
?• 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