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采用高集成度电源管理IC缩小工业设计体积

2020年03月26日 07:03来源:未知手机版

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原标题: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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202003/411136.htm

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)

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