智能電源方案 - 在工業(yè)應(yīng)用中降低功耗和減少熱事件

智能電源方案

　　ADI解決此問題的一個(gè)方式是實(shí)施智能電源方案，它可以檢測輸出負(fù)載，然后在編程電流變化或負(fù)載變化時(shí)根據(jù)需要動態(tài)地更改輸出順從電壓。只需在片內(nèi)集成DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器即可，它可以升高低壓電源的電壓，從而提供輸出端所需的任何順從電壓。采用5V標(biāo)稱電源運(yùn)行DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，輸出端的最低調(diào)節(jié)電壓約為7 V，而最高電源電壓可超過30 V，具體取決于需求。該示例從理論上解釋了新設(shè)計(jì)的工作原理并計(jì)算出使用動態(tài)功率控制功能時(shí)的功率利用率，但是注意這是針對4通道輸出器件。這種情況下，需要再次考慮零負(fù)載條件，這是電流輸出的一種有效條件。器件的內(nèi)部電路會檢測輸出，而在發(fā)現(xiàn)無需驅(qū)動負(fù)載時(shí)，器件會將內(nèi)部DC-DC輸出調(diào)節(jié)至約7V;這時(shí)，對于一個(gè)驅(qū)動24mA輸出的通道，芯片功耗將降至最小，約0.168W。AD5755已經(jīng)在4通道器件上實(shí)施了這一集成電源管理方案。這款四通道器件具有完全可編程的電流和電壓輸出范圍且分辨率高達(dá)16位，同時(shí)每個(gè)通道都集成DC-DC以提供集成式動態(tài)功率控制。因此，對于四個(gè)輸出端短路的通道，片內(nèi)最大功耗僅為0.672 W，與相同條件下的現(xiàn)有解決方案相比，能耗降低達(dá)4倍。通過使用動態(tài)功率控制功能，我們不僅可以確保器件自我保護(hù)，而且可以將模塊內(nèi)的功耗降至較低，如圖4所示。

　　圖4 動態(tài)功率控制

　　集成式片內(nèi)DC-DC的實(shí)現(xiàn)方式類似于標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器，如圖5所示，而升壓轉(zhuǎn)換器通常由兩個(gè)開關(guān)、一個(gè)輸入/輸出電容和一個(gè)能量電感組成。第一階段中，開關(guān)A閉合，而B斷開，使得電感電流根據(jù)電感內(nèi)的變化而呈線性增加，等于dV×dt/L。第二階段中，開關(guān)A斷開，而B閉合，因此電感連接至負(fù)載和輸出電容;在此關(guān)斷時(shí)間期間，電感電流從輸入端流向輸出端，而由于電感嘗試保持電流恒定，通過開關(guān)B連接至負(fù)載的電感端的電壓將升高。這類電感一般有兩種工作模式，即連續(xù)和斷續(xù)模式;當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器在連續(xù)模式下工作時(shí)，通過電感的電流不會降至零。但在某些情況下，負(fù)載所需的能量很少，無需整個(gè)占空比周期即可完成傳輸。這種情況下，通過電感的電流可能降至零。與上文所述原理的唯一差異是電感在占空比結(jié)束前完全放電，這稱為斷續(xù)模式。

　　圖5 升壓轉(zhuǎn)換器原理圖

　　AD5755上的升壓電感電路使用恒定頻率電流模式控制方案來升高5V效果的低壓輸入，從而驅(qū)動輸出，而此DC-DC采用占空比小于90%的斷續(xù)導(dǎo)通模式工作。因此，圖中所示為異步轉(zhuǎn)換器;也就是說需要外部肖特基二極管來代替上述開關(guān)I。肖特基二極管用于將功率損耗降至最低。正向壓降較大的二極管會導(dǎo)致效率下降。AD5755本身包含約0.425Ω的內(nèi)部開關(guān)，用于開關(guān)DC-DC，并且開關(guān)電流接受監(jiān)控且峰值電流限于約0.8 A。開關(guān)轉(zhuǎn)換器還有一些其他功能，開關(guān)頻率可在器件上選擇，共有四種不同選項(xiàng)。每個(gè)通道的相位也可調(diào)整，使所有相位90度反相，因此通過支持不同的時(shí)鐘邊沿，DC-DC轉(zhuǎn)換器可以減少輸入端的峰值電源要求。在典型應(yīng)用中，建議采用約410kHz的開關(guān)頻率。負(fù)載較小時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器將進(jìn)入脈沖跳躍模式，以較大程度地降低開關(guān)功耗。

　　四通道器件AD5755每個(gè)通道均具有可編程電流和電壓輸出。同樣地，16位CDAC的每個(gè)通道也具有16位增益和失調(diào)寄存器，使用戶可以設(shè)置任何輸出范圍的零電平和滿量程值?，F(xiàn)在，每個(gè)通道還具有專用HART引腳，經(jīng)全面測試與HART兼容。除已經(jīng)提到的動態(tài)功率控制功能之外，器件內(nèi)還集成了許多其他診斷功能。左側(cè)可以看到看門狗定時(shí)器，它會監(jiān)控SPI引腳上的活動。例如，如果系統(tǒng)內(nèi)的微控制器發(fā)生故障，則看門狗定時(shí)器可以置位故障條件，后者接著可用于將輸出置于已知或故障安全條件下。另外所有輸出通道上都具有斷路和短路檢測及保護(hù)功能。最后，器件上提供了數(shù)字壓擺率控制功能，使用戶可以設(shè)置輸出壓擺率。這對執(zhí)行器控制應(yīng)用等很有用，例如控制慢速器件時(shí)想要限制快速輸出變化。

　　比較一下動態(tài)功率控制功能的一些結(jié)果，在短路條件下對所有四路輸出同時(shí)實(shí)施及不實(shí)施動態(tài)功率控制功能時(shí)的結(jié)溫升高情況可以看到結(jié)果，未使能動態(tài)功率控制時(shí)，內(nèi)部芯片溫度升高約70℃，這在硅IC級別實(shí)現(xiàn)了75%的熱節(jié)省。實(shí)際上，這些功率和熱優(yōu)勢使客戶可以在自己的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通道密度增加，而不必增加模塊或機(jī)架尺寸或犧牲其他設(shè)計(jì)參數(shù)，如溫度范圍、電源或負(fù)載條件。

　　人們常常會問這樣一些問題，片內(nèi)DC-DC會產(chǎn)生多少紋波?以及這對系統(tǒng)性能有何影響?特別是考慮到后置調(diào)節(jié)階段不使用LDO時(shí)?設(shè)計(jì)電路時(shí)用到了DC-DC抑制元件，而AVCC是DC-DC-DC輸入的電源，通常為5 V。10Ω電阻左側(cè)是DC-DC的輸出端;出于完整性考慮，我們添加了可選低通RC濾波器，充當(dāng)一階抗混疊濾波器。所設(shè)計(jì)的電路也具有4~20 mA輸出?，F(xiàn)在這里將有一些阻性負(fù)載和一些容性負(fù)載，而電纜一般使用單獨(dú)屏蔽的單對或多對雙絞線電纜，導(dǎo)線電容取決于電纜類型，但每英尺約在20pF~50pF范圍內(nèi)較佳。存在電阻負(fù)載時(shí)，前面已經(jīng)提到最大端接電阻為1kΩ，本例中使用相同值，另外我們還為電容提供了可選負(fù)載連接，這是為了在需要時(shí)仿真環(huán)路電容。器件設(shè)置為將20mA滿量程電流輸出至1kΩ負(fù)載，而VBoost輸出以及4-20mA輸出均交流耦合至示波器。對于示波器上的每個(gè)格，兩個(gè)波形均設(shè)置為約5mA，可以看到VBoost輸出端無容性負(fù)載時(shí)紋波約為7.6 mV。這是4-20mA輸出，此情況下滿量程建立時(shí)間約為580μs。如果為輸出負(fù)載添加1nF電容(這是為了仿真線路電容)，可以看到電容或峰峰值紋波降低至約4.24 mV。再次將電容增加至10nF時(shí)，紋波將降至2mV以下，而輸出建立時(shí)間再次略微增加。值得注意的是，對于電壓模式，建立時(shí)間仍為幾微秒級別，此處的所有建立時(shí)間數(shù)據(jù)僅與電流模式輸出相關(guān)。這說明了紋波幅度與建立時(shí)間和輸出電容之間存在權(quán)衡關(guān)系。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須確定系統(tǒng)可以容許的紋波大小情況。

　　在之前的解決方案中，是使用多個(gè)分立元件能提供完整的系統(tǒng)級解決方案。SPI接口、開關(guān)變壓器、PWM控制器和降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器均需要分立式數(shù)據(jù)隔離器，以便產(chǎn)生為轉(zhuǎn)換器供電所需的隔離DC-DC電源。所有這些元件都會增加系統(tǒng)電路板面積、空間和成本。對于低功耗模塊，例如1W~2W級別，特別是需要通道間隔離的模塊，圖6中顯示的AD347X系列器件可為電源和隔離提供更高程度的整合，是集成度更高的電源管理解決方案。這些都是四通道數(shù)字隔離器，但也集成了用于隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的PWM控制器和變壓器驅(qū)動器。這樣便無需單獨(dú)的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器以及功耗為2W或更低的設(shè)計(jì)。