介紹

本應(yīng)用筆記是工業(yè)自動化電源設(shè)計(jì)中高壓同步穩(wěn)壓器系列文章的兩部分的第2部分。第1部分討論工業(yè)控制架構(gòu)以及電源需求和困境。在本系列的第 2 部分中，我們將討論新電源如何采用同步開關(guān)技術(shù)，同時能夠承受高達(dá) 60V 的電壓尖峰和高達(dá) 3.5A 的電源，這在以前是不切實(shí)際的。這些功能通過提高效率，從而降低發(fā)熱和功耗，減少元件尺寸，并限制分立式外部元件的數(shù)量，從而簡化工業(yè)自動化系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)。

新型同步穩(wěn)壓器

同步穩(wěn)壓器似乎是應(yīng)對工業(yè)自動化系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的完美解決方案。這些器件效率高，功耗有限，系統(tǒng)溫度更低。它們需要的空間很小，降低了 BOM 成本。

有許多同步穩(wěn)壓器的額定工作電壓高達(dá)28V，少數(shù)額定工作電壓高達(dá)40V。然而，這些器件中的大多數(shù)對過壓特別敏感，因?yàn)樗鼈兊墓ぷ麟妷汉徒^對最大額定電壓之間幾乎沒有余量。市電供電系統(tǒng)特有的電壓尖峰可能會迅速破壞這些組件。

一種解決方案是使用保護(hù)鉗保護(hù)同步穩(wěn)壓器，將電壓尖峰限制在低于元件絕對最大額定電壓的水平。然而，這些箝位會增加成本、占用空間并延長設(shè)計(jì)進(jìn)度，從而抵消了最初使用同步穩(wěn)壓器的許多好處。這給工業(yè)自動化系統(tǒng)工程師帶來了一個兩難境地：他/她是否受益于同步穩(wěn)壓器的更高效率，并接受電壓鉗位的額外麻煩？或者，他/她是否選擇了一種異步穩(wěn)壓器，既能處理可能的系統(tǒng)過壓，又能消耗更多功率并變得更熱？

半導(dǎo)體供應(yīng)商在研發(fā)方面投入了大量資金來解決這一困境，一些可以處理高達(dá)60V甚至75V輸入電壓的設(shè)備現(xiàn)在正在進(jìn)入市場。然而，這些器件的輸出電流僅限于幾百毫安，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工業(yè)自動化系統(tǒng)中使用的大部分設(shè)備的要求，特別是PLC。

但現(xiàn)在，新一代高電壓、高輸出電流同步穩(wěn)壓器已經(jīng)上市。這些新型高性能芯片的一個例子是Maxim的MAX1750x系列。這些器件集成了兩個 MOSFET，無需外部肖特基二極管及其相關(guān)的外部元件。

這種新的同步穩(wěn)壓器模塊系列可處理高達(dá) 60V 的電壓，并提供包括 500mA、1A、2.5A 和 3.5A 在內(nèi)的電流輸出。該公司還可以為使用4-20mA環(huán)路的工業(yè)自動化系統(tǒng)傳感器提供輸出低至幾十毫安的相關(guān)產(chǎn)品。

例如，MAX17503設(shè)計(jì)提供高達(dá)90%的效率，運(yùn)行溫度比競爭的高壓異步穩(wěn)壓器低50%。該器件工作在 4.5V 至 60V 輸入電壓范圍，可提供高達(dá) 2.5A 的輸出電流。圖1所示為MAX17503（及其姊妹產(chǎn)品MAX17501）在工業(yè)自動化系統(tǒng)中的典型應(yīng)用位置。

圖1.MAX17501和MAX17503 DC-DC轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)工業(yè)自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用。

此外，MAX17503可節(jié)省高達(dá)50%的電路板空間，并減少高達(dá)75%的元件數(shù)量。200kHz至2.2MHz的高頻開關(guān)允許外部電感縮小以節(jié)省更多空間。

此外，MAX1750x穩(wěn)壓器具有PFM功能。PFM 的工作原理是禁用反向電感電流并在輕負(fù)載時跳過脈沖。PFM 的優(yōu)點(diǎn)是輕負(fù)載時效率更高，因?yàn)閺碾娫醇橙〉撵o態(tài)電流 （IQ） 較低。

MAX1750x穩(wěn)壓器表現(xiàn)出的高集成度，不僅減少了外部元件數(shù)量，降低了成本，而且減輕了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。工程師無需計(jì)算外部電容和補(bǔ)償電阻的值和源出，因?yàn)楣ぷ饕呀?jīng)完成。圖2顯示了該芯片的應(yīng)用電路。

圖2.MAX17503應(yīng)用電路，開關(guān)頻率為500kHz

結(jié)論

在本系列的第 1 部分中，我們探討了工業(yè)控制架構(gòu)以及對高壓同步穩(wěn)壓器的要求。在第 2 部分中，我們重點(diǎn)介紹了新的同步穩(wěn)壓器系列以及影響功率預(yù)算問題的技術(shù)。通過解決工業(yè)自動化系統(tǒng)電源困境，新一代同步穩(wěn)壓器使工程師能夠?qū)Ｗ⒂趦?yōu)化其工業(yè)自動化系統(tǒng)的運(yùn)行，而不是努力提供強(qiáng)大的電源。