具有单电源隔离放大器和 ADC 的隔离式电源设计

1.前言

隔离式电源：它的功能无处不在，包括工人保护、增强的抗噪性以及处理子系统之间的接地电位差。为电机驱动、太阳能你比那群、直流充电桩、工业机器人、UPS、车载充电器、DC/DC转换器 等应用设计其功能。在一些实验室或高要求场合，为了实验人员的安全，一般将实验的输入电源采用1：1的工频变压器与市电进行隔离，这样一来，实验室实验人员无论碰到线路的哪一根线都不会有触电的危险，因为隔离电源与大地是没有连接的。

在工业控制设备中，有时候要求两个系统之间的电源地线隔离，如隔离地线噪声、隔离高共模电压等，采用带变压器的直流变换器，将两个电源之间隔开，使他们相互独立，从而实现以上目的！每个模块单独供电，防止一个模块因受高压放电或其他原因导致损坏后殃及其他模块。这样做的目的可以保证每个模块独立工作，不受干扰。

诸如上述系统的系统需要将电流和电压信息从一个电源域穿过绝缘屏障传递到另一个电源域以进行监视和控制。我们如何通过绝缘屏障传递模拟信息？答案在于隔离放大器和隔离模数转换器（ADC） 。绝缘 A/D 转换器也称为隔离 delta-sigma 调制器。

设计此类系统的主要挑战是如何处理隔离式放大器或 ADC 的电源。传统方法总共需要两个电源，一个在高侧，一个在低侧（分别为图 1 左侧的 VDD1 和 VDD2）。低压侧通常由与数字控制器相同的电源供电，但没有多少系统在高压侧具有即用型电源。这意味着我们需要在高侧设计分立式隔离电源（这会增加解决方案尺寸、物料清单数量和解决方案成本），从而使设计和印刷电路板 (PCB) 布局复杂化。

为应对这一设计挑战，TI 开发了一系列隔离式放大器和 ADC，可在单个低侧电源上运行。图 1显示了需要两个电源的标准隔离式转换器（左侧）与使用单个电源运行的AMC3301 系列（右侧）之间的区别。

图1 ：传统隔离放大器和使用单个电源的隔离放大器

这些新器件包括一个完全集成的 DC/DC 转换器级，可在内部产生高侧功率。这种 DC/DC 转换器架构允许高侧低压降稳压器 (LDO) 输出引脚（通常称为 HLDOOUT）向辅助电路（例如有源滤波器、前置放大器和比较器）提供高达 1mA 的直流电流。 .

2.使用单一电源简化设计的机制

使用单一电源的好处包括：

· 减小了解决方案尺寸、物料清单( BOM ) 和系统成本

内置 DC/DC 转换器消除了对专用隔离电源或将变压器驱动器和 LDO 与专用变压器相结合的分立电源的需要。内置 DC/DC 转换器允许我们为空间受限的应用创建紧凑的系统设计。它还减少了 BOM 的数量并降低了系统成本。

· 简化设计和布局的可能性

无需担心获得高侧电源有助于基于分流器的精密电流/电压感测的设计，使我们能够： 增加。

· 模块化 PCB 设计提高了可重用性，因为不需要集中电源

· 可实现两层板设计，减少电源等布线。

· 在没有公共中性点的多相系统中测量相间电压时，消除了设计复杂性并消除了以前需要的分立式隔离电源。

3.分流器放置位置

传统架构中，高边电源限制了分流器的位置，这也会受到寄生元件的影响。例如，如果我们使用栅极驱动器电源作为高端电源，我们可能无法始终将分流器放置在开关引脚附近。如果没有放置在这样的最佳位置，寄生电感可能会与分流器串联添加。在这种情况下，当切换电源级时，放大器的输入端会出现同相干扰，这会降低测量精度。另一方面，使用AMC3301 系列时，内置电源可防止 寄生电感影响测量精度。

图 3 总结了 TI 的隔离放大器和 ADC 产品组合。左侧是需要两个电源的常规设备，右侧是使用单个电源运行的设备。

图2 ：TI的绝缘放大器和绝缘调制器 ( ADC ) 产品组合