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      減法的力量:提升工業應用中的隔離式、分離軌功率設計

      發布時間:2021-06-11 責任編輯:wenwei

      【導讀】降低解決方案的尺寸、組件成本和功率損耗對于工業應用正變得越來越重要??删幊绦蚩刂破?PLC)用的模擬I/O模組便是滿足這類要求的很好例子。 
       
      工業4.0指出了結合智能通信進行深入自動化趨勢。因此,在過程工程、工業自動化和設備管理中,PLC需要配備更多的I/O端口。如果空間有限,控制器無法放入更多基板面,那么,我們必須增加模塊密度才能支持更多的I/O需求。優化供電設計明顯有助于達成該等目標。
       
      讓我們來看下模擬I/O模塊供電設計的功率要求。
       
      減法的力量:提升工業應用中的隔離式、分離軌功率設計
      圖1:PLC I/O模塊陣
       
      模擬I/O模塊通常使用4-20mA電流環路或+/-10V信號傳輸。我們需要DAC/ADC進行轉換,通常為5V供電。為了保護裝置,同時也為了確保能夠達到要求的性能,需隔離供電軌,以抵消地移或噪聲。
       
      因此,模擬I/O模塊需要一個5V軌和+/-12至+/- 15V分離軌用于電壓信號傳輸或電流環路灌/拉,與24-V軌隔離供電。圖2所示為一普通的實施方案。
       
      減法的力量:提升工業應用中的隔離式、分離軌功率設計
      圖2:普通供電實施方案
       
      供電及其設計有優化的空間嗎?
       
      分析最適合從哪著手,變壓器是最合適的。由于其有兩個二次繞組,因此生產成本和占地空間都較大。更重要的是,其側面高度約為5mm??臻g節省后能夠實現更小的開關柜或容納更多的I/O模塊,同時,也能夠顯著降低成本。理想情況是主動模塊能夠像被動端子一樣薄。最終,開發板的側面高度也需要縮減。
       
      讓我們從這一想法著手。如果我們使用1:1單二次繞組變壓器,可以在反激式轉換器配置中使用側面高度僅1.8mm、成本優化的組件。將LM5160反激式轉換器輸出設置為5V,您便可以不必使用降壓轉換器。要產生+/- 12V至+/- 15V分離軌輸出,全集成TPS65130分離軌轉換器能夠實現進一步優化。該裝置集成了一個升壓轉換器用于正電壓輸出,以及一個反相降壓升壓級用于負電壓輸出。由于輸出電壓分別受到嚴格的控制,這還有另一個積極的副加作用:我們可以去掉兩個LDO。
       
      從功率轉換效率的角度來看,分離軌通過兩個轉換級是個缺點。但是,5V軌現在已經得到了優化——在第一個設計中,它需要經過兩級。而且,這個設計還去掉了兩個LDO,每個可以減少約2V電壓。因此導致系統發熱的LDO功率損耗也沒有了。
       
      圖3所示為新的解決方案。
       
      減法的力量:提升工業應用中的隔離式、分離軌功率設計
      圖3:新型供電實施方案
       
      該解決方案僅需要兩個主動裝置,最大組件高度僅為1.8mm,如此扁平的設計甚至可以輕松穿過門縫。開發板所需面積減少一半。能夠以最佳成本打造超薄的模擬I/O模塊,輸出電壓也得到了精準的控制,且擁有低至5mV的電壓波紋。
       
      該概念在小尺寸、隔離式模擬DC/DC轉換器參考設計(TIDA-00689)中有提到,包括系統說明、原理圖、布局建議和材料清單。測試報告包括測試數據和熱測量。
       
       
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