在工業控制世界，有幾點是確定無疑的：下一款產品將具有更小的尺寸、更多通道數，每通道的目標成本更低。人們期望，技術在上一個設計產品之后已有所改進，所有這些都是可能的。在很大程度上，過去就是這樣發展的，而未來很可能仍然如此。

從光耦合器時代到最新的高速、低功耗、高集成度數字隔離器，數據接口一直在穩步發展。本文將討論隔離傳感器接口的一個本應得到更多關注的方面。如何在縮小接口尺寸并提高性能的同時，將隔離電源提供給ADC和調理電路？過去，模擬接口板的通道數不多，因此板上有足夠的空間可用來設計適當的DC-DC轉換器，以便為傳感器接口提供電源。一個模塊只有一兩個接口，因此功耗不是什么大問題。而目前，模擬PLC模塊(如圖1所示)能夠提供4個、8個甚至16個獨立的隔離通道。多個大小適中的DC-DC轉換器會占據很多空間，并產生很多熱量。

圖1所示通用模擬接口為電源討論提供了一個很好的起點。有源電路包括信號調理單元(例如運算放大器或儀表放大器)，以及集成了串行接口的ADC，可通過數字隔離器通道實現與FPGA的接口。通常該電路所需功率遠低于150 mW。

為傳感器接口提供電源的基本挑戰是優化電源，使其在所需功率范圍內正常工作。0 mW至150 mW工作范圍意味著構成電源的控制器和反饋元件的固定靜態功耗會占所用總功耗的較大部分，因此效率較低。表1中不同電源配置的靜態電流值顯示了這一點。另外，許多簡單電源設計需要一個最小負載才能正常工作，為使電源正常發揮作用，必須將功率浪費在持續阻性負載上。雖然在電路板上放置一個555定時器和晶體管來獲得一定的功率很容易，但制作一個高效、可靠、低功耗的電源則很困難。

在此功率范圍內，有三種基本的DC-DC轉換器類型：

非穩壓開關電源或模塊

穩壓開關電源或模塊

芯片級功率轉換器

采用這些電源結構都會增加控制電路的復雜性，而前兩種類型還需增加元器件數目和解決方案的尺寸。

非穩壓電源

最簡單的解決方案是圖2所示的非穩壓DC-DC轉換器。

該設計利用固定頻率、固定占空比輸入切換來產生副邊電源，然后進行整流和濾波。所選變壓器的額定隔離電壓必須達到應用要求。隔離要求越高，則變壓器越大(即PCB面積越大、高度越高)。該解決方案的成本以變壓器為主，數量合適的話，分立解決方案的成本低于1.00美元。

雖然成本很低，但負載和溫度范圍內的輸出電壓變化可能很大，模擬接口的模擬器件選擇將更加困難。模擬接口的所有模擬器件都必須具有出色的電源抑制性能，負載不能快速變化，否則就會引起電源大幅度改變。因此，器件成本會提高，或者至少要花費更多的設計時間，以評估解決方案在極端情況下的表現。非穩壓電源的效率可能相當高，但電源質量很低。

穩壓電源和模塊

穩壓電源提供更好的輸出特性。圖3顯示一個1 W功率范圍內的典型DC-DC模塊。

與上述非穩壓電源示例類似，控制器將功率切換到變壓器中。選擇適當的變壓器功率水平和匝數比，以便在最大負載下提供充足的電壓，使得LDO能夠將輸出電壓調節到穩定的水平。該方案的電源效率在高負載下非常好，在低負載下則很差，而后者正是模擬接口應用的運行情況。

有許多有源穩壓方案可以提高全負載范圍內的效率，但需要復雜得多的控制電路，而且大部分方案需要在隔離柵上建立一個反饋通道。這會大幅增加設計的成本和尺寸，一般不適合此功率范圍內的模塊。

由于難以將變壓器整合到組件中，因此這些電源的集成并未超出密封模塊或PCB子卡。制造商在縮小這些器件的尺寸方面取得的成功非常有限。

芯片級轉換器

芯片級變壓器技術是ADI公司針對iCoupler?數字隔離器產品而開發的，基于該技術已產生一類新型DC-DC轉換器。該技術非常適合低功耗高性能電源設計。變壓器為“空芯”，也就是說變壓器中不存在磁性材料。這意味著，這些微型變壓器在大約125 MHz時具有最高的Q。開關頻率如此之高，因而無法通過改變開關信號的占空比來控制功率。相反，控制電路通過選通和開關整個振蕩器來調節副邊電壓。

變壓器非常小，足以集成到采用內分引腳架構的標準IC封裝中。在隔離柵兩側，正向電源和輸出反饋所需的全部器件都可以集成到一對芯片中，無需外部分立器件，并且可以實現多種高級特性。芯片級功率轉換器能夠集成完全穩壓DC-DC電源的全部功能，在低負載情況下具有緊湊型的穩壓特性和良好的效率。

比較

下面通過一些實際例子來說明上述設計的區別。表1顯示兩個電源模塊和一個芯片級轉換器的特性對比。所選TI模塊為最常見的模塊，功率范圍為傳感器接口要求中規定的0 mW至150 mW。

表1. 技術對比

大部分設計師需要實現高電源效率的設計。表1中，非穩壓解決方案的效率最高，但選擇該方案也有弊端。此模塊的額定功率為1 W，但其數據手冊連100 mW以下的性能都未給出。事實很可能是這樣：輸出電壓顯著高于額定值，效率迅速降低。

效率第二的是穩壓模塊。它設計用于輕負載，具有良好的特性。然而，仔細對比芯片級轉換器，分析穩壓模塊的效率，由圖5可見，由于芯片級轉換器集成有源反饋調節，其效率能夠更快地上升至最終值，因此在0 mA和15 mA的負載范圍內，芯片級解決方案事實上更有效。這基本上就是最初模擬接口定義中的目標范圍了。因此，盡管芯片級解決方案的最大效率最低，它依然是一個較好的選擇。

解決方案尺寸是下一個比較點。模塊解決方案在PCB上的面積均為180 mm2，非穩壓模塊的高度是10 mm，因此它不僅要占用電路板空間，而且很可能是板上最高的部分，決定模塊的理論外殼尺寸。明智的選擇同樣是采用薄型SSOP20 JEDEC標準封裝、尺寸為55 mm2，并且添加一些旁路電容和兩個電阻的芯片級模塊。

穩壓方案相對于非穩壓方案的優勢與模擬前端的ADC和放大器的電源抑制性能有關。穩壓能力越強，則選擇測量器件的靈活性越大，而不是局限于那些具有最佳電源抑制性能的器件。

模塊式/分立解決方案與芯片級解決方案的最后一個區別因素是工作頻率。開關電流會給電源帶來噪聲和紋波。很多情況下，模塊的工作頻率范圍是200 kHz到1 MHz，與許多傳感器應用的采樣速率相當。必須對數據進行適當的濾波或消除混疊，防止其受到電源噪聲影響。芯片級解決方案的原邊功率振蕩器的工作頻率在125 MHz，遠高于多數工業傳感器ADC的采樣頻率。雖然功率振蕩器的PWM控制仍會引起紋波，但最大噪聲源高于ADC的帶寬，可將其輕松濾除。

芯片級轉換器的額外優勢

僅就尺寸效率而言，芯片級轉換器非常適合該應用。但該技術還有許多其他優點。下面將詳細介紹新型隔離功率轉換器ADuM5010。此器件能在模擬接口要求的低功耗范圍內提供電信用DC-DC轉換器的性能。

無限可調的輸出電壓。ADuM5010通過副邊的分壓器設 置輸出電壓。其范圍為3.15 V至5.5 V。許多模擬ADC和 運算放大器采用非標準電源軌供電，因此可以調整電壓 以獲得最佳電源條件。

熱關斷功能可在短路過載情況下保護電源，尤其是在芯 片溫度可能超過最高限值的高環境溫度下。熱關斷跳變 點為154°C，芯片必須比它低10°C以上，器件才能自動 重啟。電源重啟不需要任何外部處理器干預。

施加電源時，通過在原邊控制PWM實現軟啟動。這 樣，器件啟動時的浪涌電流可忽略不計。多個器件同時 啟動時，浪涌電流可能會壓倒較弱直流輸入電源軌，導 致無法預測的行為。

利用原邊電源禁用功能，可以將轉換器關斷到功耗極低 的待機狀態。此特性結合軟啟動可實現省電方案，在測 量間歇關閉傳感器的電源。

原邊輸入電源具有欠壓閉鎖(UVLO)功能。此特性可防 止轉換器以低輸入電源軌啟動。這樣， 在下游 ADuM5010嘗試取電之前，輸入電源可以有效充電。

全面隔離認證。模塊的類型測試要求可以降低，并且可 以消除生產期間的在線測試。

結論

針對大多數PLC應用設計的模擬傳感器接口，應用時需要對數字通信和電源進行隔離。其功率水平非常低，低于大部分DC-DC轉換器以高效率和可預測方式正常工作的范圍。不過，經過精密調節并表現良好的電源對接口非常有益。隔離式芯片級轉換器ADuM5010非常適合隔離模擬輸入的要求，功耗150 mW，并提供一般只有高功率DC-DC轉換器才具備的特性組合。在功率與隔離數據通道相結合的系列器件中，此器件是僅提供功率的型號。ADuM521x雙數據通道器件支持數據接口集成，從而節省更多空間。該系列還將繼續推出更高通道數器件，以便工程師只需進行極少的設計工作就能安全且輕松地應用電源。