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许多市场对高效率同相 DC-DC 转换器的需求都在不断增长,这些转换器能以降压或升压模式工作,即可以将输入电压降低或提高至所需的稳定电压,并且具有最低的成本和最少的元件数量。反相 SEPIC(单端初级电感转换器)也称为 Zeta 转换器,具有许多支持此功能的特性(图 1)。对其工作原理及利用双通道同步开关控制器ADP1877的实施方案进行分析,可以了解其在本 应用中的有用特性。

图1. 反相 SEPIC 拓扑结构

初级开关QH1 和次级开关QL1 反相工作。在导通时间内,QH1接通,QL1 断开。电流沿两条路径流动,如图 2 所示。第一条路径是从输入端经过初级开关、能量传输电容(CBLK2)、输出电感(L1B)和负载,最终通过地流回输入端。第二条路径是从输入端经过初级开关、地基准电感(L1A)和地流回输入端。

图 2. 电流流向图;QH1 闭合,QL1 断开。

在关断期间,开关位置刚好相反。QL1 接通,QH1 断开。输入电容(CIN)断开,但电流继续经过电感沿两条路径流动,如图 3所示。第一条路径是从输出电感经过负载、地和次级开关流回输出电感。第二条路径是从地基准电感经过能量传输电容、次级开关流回地基准电感。

图 3. 能量传输图;QL1 闭合,QH1 断开。

应用电感伏秒平衡原理和电容电荷平衡原理,可以求得方程式 1所规定的均衡直流转换比,其中 D 为转换器的占空比(一个周期的导通时间部分)。

上式表明:如果占空比大于 0.5,输出端将获得较高的调节电压(升压);如果占空比小于 0.5,调节电压会较低(降压)。此外还可分析得到其它相关结果:在无损系统中,能量传输电容(CBLK2)上的稳态电压等于VOUT;流经输出电感(L1B)的直流电流值等于IOUT;流经地基准电感(L1A)的直流电流值等于IOUT ×VOUT/VIN。该能量传输电容还能提供VIN至VOUT的隔直。当存在输出短路风险时,此特性很有用。

分析还显示,反相 SEPIC 中的输出电流是连续的,对于给定输出电容阻抗,会产生较低的峰峰值输出电压纹波。这就允许使用较小、较便宜的输出电容;相比之下,在非连续输出电流拓扑结构中,为了达到同样的纹波要求,需要使用较大且昂贵的电容。

通常,次级开关(QL1)是一个单向功率二极管,它会限制这种拓扑结构的峰值效率。然而,利用ADI公司双通道同步开关控制器ADP1877(见附录)的一个通道,并采用双向MOSFET作为次级开关,可以设计一个"完全同步配置"的反相SEPIC。这样,峰值效率将大大提高,同时可以降低输出电流大于 1 A的转换器尺寸和成本。

图 4 显示完全同步反相SEPIC配置的功率级,它利用ADP1877 实现,只需要三个小型、廉价的额外器件(CBLK1、DDRV和RDRV),其功耗可以忽略不计。

图 4. 同步反相 SEPIC 的功率级,利用 ADP1877 的通道 1 实现

反相SEPIC的理想稳态波形如图 5 所示。通道 1 开关节点SW1(见附录图A)在VIN + VOUT(导通时间内)和 0 V(关断时间内)之间切换。将电荷泵电容CBST连接到SW1,以便在导通时间内将约为VIN + VOUT + 5 V的电压施加于高端内部驱动器的自举上电轨(BST1 引脚)和高端驱动器的输出(DH1 引脚),从而增强初级浮空N沟道MOSFET开关QH1。箝位二极管DDRV确保稳态输出期间CBLK1上的电压约为VOUT + VFWD(DDRV),该电压参考ADP1877的DH1 引脚到QH1 栅极的电压。在关断时间内,当X节点电压约为–VOUT时,CBLK1上的电压阻止初级开关产生高于其阈值的栅极-源极电压。

图 5. 同步反相 SEPIC 的理想波形(忽略死区)

ADP1877 具有脉冲跳跃模式,使能时,可以降低开关速率,只向输出端提供足以保持输出电压稳定的能量,从而提高小负载时的效率,大大降低栅极电荷和开关损耗。在同步反相 SEPIC 和同步降压拓扑结构中均可以使能此模式。图 4 所示 DC-DC 转换电路只需要双通道 ADP1877 的一个通道,因此另一通道可以用于任一种拓扑结构。

电感耦合和能量传输电容

图 4 中,功率电感 L1A 和 L1B 显示为彼此耦合。在这种拓扑结构中,耦合电感的目的是减少输出电压和电感电流的纹波,并且提高最大可能闭环带宽,下一部分将对此加以说明。

虽然这些电感互相耦合,但并不希望耦合太紧,以至于将一个绕组的大量能量通过铁芯传输至另一个绕组。为了避免这一点,必须求得耦合电感的泄漏电感(LLKG),并选择适当的能量传输电容(CBLK2),使得其复数阻抗的幅值为泄漏电感与单个绕组电阻(DCR)的复串联阻抗的 1/10,如方程式 2、3、4 所示。按照这一关系设计电路,可使耦合铁芯所传输的能量降至最低。泄漏电感可以根据耦合电感数据手册中提供的耦合系数计算。

匝数比最好为 1:1,因为对于给定水平的输出电压纹波,此时各绕组只需要分立电感所需电感的一半1。可以使用 1:1 以外的匝数比,但其结果将无法用本文中的方程式准确描述。

小信号分析和环路补偿

反相 SEPIC 转换器的完整小信号分析超出了本文的范围,不过,如果遵照下述原则,完整分析将更具学术意义。

首先必须计算谐振频率(fRES)时的许多复数阻抗交互,以便求得目标交越频率的上限。当电感解耦时,此频率降低,导致最大可能闭环带宽显著降低。

在此频率时,可能有 300°或更大的"高Q"相位迟滞。为了避免转换器在整个负载范围内相位裕量偏小的问题,目标交越频率(fUNITY)应为fRES的 1/10。此谐振的阻尼主要取决于输出负载电阻和耦合电感的直流电阻。在较小程度上,阻尼还取决于能量传输电容的等效串联电阻(ESR)和功率MOSFET(QHl和QL1)的导通电阻。因此,当输出负载电阻改变时,闭环传递函数的特征在该频率时发生明显变化也不足为奇。

耦合系数通常不是一个能够精确控制的参数,因此应将目标交越频率设置为比fRES低 10 倍的值(假设fRES小于开关频率fSW)。当fUNITY设置适当时,可以使用标准"II型"补偿——两个极点和一个零点。

图6 显示同步反相SEPIC 降压/升压拓扑结构中ADP1877反馈环路的等效电路。上框包含功率级和电流环路,下框包含电压反馈环路和补偿电路。

图 6. 同步反相 SEPIC 拓扑结构中 ADP1877 具有内部电流检测 I环路的功率级和补偿方案

下框中的补偿元件值可以通过下式计算:

转换器的跨导GCS利用下式计算:

COUT是转换器的输出电容。ESR是该输出电容的等效串联电阻。RLOAD是最小输出负载电阻。ACS是电流检测增益,对于ADP1877,它可以在 3 V/V至 24 V/V范围内以离散步进选择。Gm是误差放大器的跨导,ADP1877 为 550 μs。VREF是与误差放大器的正输入端相连的基准电压,ADP1877 为 0.6 V。

GCS是与频率无关的增益项,随增强后的次级开关电阻RDS(ON)而变化。最高交越频率预期出现在此电阻和占空比D最低时。

为确保在最大输出电流时不会达到补偿箝位电压,所选的电流检测增益(ACS)最高值应满足以下条件:

其中∆IL为峰峰值电感纹波电流。

如果斜率补偿过多,此处的方程式精确度将会下降:直流增益将降低,输出滤波器将引起主极点的频率位置提高。

斜率补偿

对于利用ADP1877 实现的同步反相SEPIC,必须考虑电流模式控制器2中的次谐波振荡现象。

按照下式设置RRAMP,可以将采样极点的品质因素设为 1,从而防止发生次谐波振荡3(假设fUNITY设置适当)。

值得注意的是,随着增强后的次级开关电阻RDS(ON)降低,采样极点的Q也会下降。如果这一因素与其它相关容差一起导致Q小于0.25,则应进行仿真,确保在考虑容差的情况下,转换器不会有过多斜率补偿,并且不是太偏向于电压模式。RRAMP的值必须使得ADP1877 RAMP引脚的电流在 6 μA至 200 μA范围内,其计算公式 14 如下:

功率器件应力

从图 2 和图 3 的电流流向图可以看出,功率 MOSFET 在接通后要承载电感电流总和。因此,流经两个开关的电流直流分量为:

如果电感的耦合比为 1:1,则流经两个开关的电流交流分量为:

知道这些值后,可以很快算出流经各开关的电流均方根值。这些值与所选MOSFET的RDS(ON)MAX共同确保MOSFET具有热稳定性,同时功耗足够低,以满足效率要求。

图 7. 同步反相 SEPIC 的理想电流波形(忽略死区)

精确计算初级开关的开关损耗超出了本文的范围,但应注意,从高阻态变为低阻态时,MOSFET上的电压摆辐约为VIN + VOUT至 0V,流经开关的电流摆辐为 0 A至IOUT[1/(1–D)]。由于摆幅如此之高,开关损耗可能是主要损耗,这是挑选MOSFET时应注意的一点;对于MOSFET,反向传输电容(CRSS)与RDS(ON)成反比。

初级开关和次级开关的漏极-源极击穿电压(BVDSS)均须大于输入电压与输出电压之和(见图 5)。

峰峰值输出电压纹波(∆VRIPPLE)可通过下式近似计算:

流经输出电容的电流均方根值(I rms COUT)为:

方程式 12 所表示的峰峰值电感电流(∆IL)取决于输入电压,因此必须确保当此参数改变时,输出电压纹波不会超过规定值,并且流经输出电容的均方根电流不会超过其额定值。

对于利用ADP1877 实现的同步反向SEPIC,输入电压与输出电压之和不得超过 14.5 V,因为电荷泵电容与开关节点相连,当初级开关接通时,其电压达到VIN + VOUT。

实验室结果

图 8 显示 5 V 输出、3 V 和 5.5 V 输入时同步反向 SEPIC 的功效与负载电流的关系。对于需要在 3.3 V 和 5.0 V 输入轨之间切换的应用,或者当实时调整输入电压以优化系统效率时,这是常见情况。采用 1 A 至 2 A 负载时,无论输入电压高于或低于输出电压,转换器的效率均超过 90%。

图 8. 效率与负载电流的关系

与图 8 相关的功率器件材料清单见表 1,其中仅采用常见的现成器件。一项具可比性的异步设计采用一个具有低正向压降的业界领先肖特基二极管代替 QL1,在以上两种输入电压下,其满载时的效率低近 10%。此外,异步设计尺寸更大、成本更高,而且可能需要昂贵的散热器。

表 1. 功率器件

结束语

许多市场对输出电压高于或低于输入电压(升压/降压)的高效率同相转换器的需求都在不断增长。ADI 公司的双通道同步开关控制器ADP1877允许用低损耗MOSFET代替常用于功率级的高损耗功率二极管,从而提高效率,降低成本,缩小电路尺寸,使系统达到苛刻的能耗要求。只要遵循几项原则就能快速算出可靠补偿所需的元件值,并且利用常见的现成器件便可实现高效率。

参考电路

Barrow, Jeff. "Reducing Ground Bounce in DC-to-DC Converters—Some Grounding Essentials." Analog Dialogue. 41-2, pp. 2-7. 2007.

1Ćuk, Slobodan and R.D. Middlebrook. "Coupled-Inductor and Other Extensions of a New Optimum Topology Switching DC-DC Converter." Advances in Switched-Mode Power Conversion. Volumes I & II. Irvine, CA: TESLAco. 1983.

2Erickson, Robert and Dragan Maksimović. Fundamentals of Power Electronics. Chapter 12, Section 1. Norwell, MA: Kluwer Academic Publishers. 2001.

3Ridley, Raymond. "A New Small-Signal Model for Current-Mode Control." PhD Dissertation, Virginia Polytechnic Institute and State University. November 1990.

附录

ADP1877是一款Flex-ModeTM(ADI公司专有架构)双通道开关 控制器,如图A所示,其集成驱动器可驱动N沟道同步功率 MOSFET。两路PWM输出相移 180°,可降低输入均方根电流, 从而使所需的输入电容最小。

图 A. ADP1877 示意框图。仅显示通道 1;通道 2 与之完全相同,带后缀 2。

ADP1877 内置升压二极管,因而整体元件数量和系统成本得以 减少。在小负载时,可以将它设置为高效率脉冲跳跃工作模式, 也可以是 PWM 连续传导工作模式。

ADP1877 内置外部可调软启动功能、输出过压保护、外部可调 电流限制、电源良好指示,并提供 200 kHz 至 1.5 MHz 的可编程 振荡器频率。工作温度范围为–40°C 至+85°C 时,输出电压精 度为±0.85%;工作温度范围为–40°C 至+125°C 结温范围时, 输出电压精度为±1.5%。其工作电源电压为 2.75 V 至 14.5 V, 采用 32 引脚、5 mm × 5 mm LFCSP 封装。

作者:Matt Kessler

Matt Kessler is an applications engineer for Power Management Products in the Customer Applications Group in Fort Collins, CO. Responsible for technical support for a wide range of a products and customers, Matt is also one of the original architects and developers of ADIsimPower. Matt earned his BSEE from the University of Texas at Dallas and is currently pursuing his MSEE at Colorado State University. He has been with Analog Devices since 2007.

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近日,ADI 与中车株洲电力机车研究所联合实验室技术年会成功召开。中车株洲所研究院副院长方光华先生和 ADI 中国区总裁 Jerry Fan 出席了本次会议,出席会议的还有中车株洲所和 ADI 的二十余位技术专家和部门经理。技术年会历时一整天,双方共同就科技创新和技术合作等内容进行了深入的交流和探讨。

在上午的高层对接会上,双方更新了公司的最新进展,ADI Jerry Fan 还就中车株洲所所关注的如何实施科技创新做了详细的分享。会上 ADI 总结了 2017 年联合实验室的合作项目情况,双方共同确定了联合实验室今年新的技术合作方向。

下午是技术专题峰会,双方围绕今年的重点合作项目展开了深入交流。中车株洲所多个相关部门的领导和技术人员参加了会议,就多个技术问题与 ADI 技术专家进行了探讨。

长期以来,ADI 致力于设计与制造先进的半导体产品,通过优秀的解决方案为客户带来价值;中车株洲所是国内轨道交通技术领域的领头羊,双方都有着追求卓越与创新发展的理念,联合实验室就是在这样的背景下建立的。今年是中车株洲所 - ADI 成立联合实验室的第二个年头,项目合作成效明显。未来,双方将基于此平台继续加强合作,结出丰硕的成果。

中车株洲所 - ADI 联合实验室于 2016 年 5 月正式成立。联合实验室的成立是强强联合的双赢合作,ADI 希望用先进的半导体技术帮助中车株洲所实现产业技术升级,为轨道交通装备的现代化、智能化和低碳运行提供解决方案,进一步巩固和提升中车株洲所在行业市场的竞争地位;同时也希望通过中车株洲所的众多行业应用使 ADI 的产品得到不断地完善和突破。

目前两家公司在很多核心项目中都有着深度的合作。ADI 的品牌也深受中车工程师的认可,历年都被中车株洲时代电气公司评选为最佳支持原厂商。

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Analog Devices, Inc. (ADI)近日推出一款射频(RF)模数转换器(ADC),可实现业界领先的速度和带宽。与传统的射频ADC相比,新型AD9213具有更高的参数性能和更大的奈奎斯特带宽,并且能够在更高的模拟输入频率下进行射频采样,可实现高达7 GHz的射频信号的数字化。AD9213支持航空航天、仪器仪表以及通信领域的新一代软件定义系统,助力实现更高的系统集成度,更低的成本以及更小的尺寸、重量和功耗(SWaP)。此外,其高采样速率和集成的后处理功能有助于在窄带应用中实现更高的性能。

查看产品页面、下载数据手册和申请样片:http://www.analog.com/pr180522/AD9213
了解有关ADI公司高速转换器的更多信息:http://www.analog.com/pr180522/high-speed-converters
AD9213为航空航天客户提供了更大的灵活性,能够更大范围地处理频谱,并且可在雷达设计中实现更高的分辨率和更长的距离。该器件有助于电子测试和测量制造商(ETM)在时域应用(例如数字示波器和光谱/化学分析)中实现更大的产品差异化和新的性能水平。其奈奎斯特带宽更宽,便于卫星通信客户提供带宽更高的产品。此外,宽输入带宽与高采样速率相结合,可在无线通信应用中实现新型的宽带数字预失真架构。

AD9213产品聚焦:

* 采样速率为其他类似器件的2.5倍
* 系统动态范围更大,能够更好地区分信号
* 在较宽的信号带宽上具有出色的噪声性能
* 针对相控阵应用的增强型多芯片同步
* 时间分辨率提高(采样速率更高)

报价与供货

关于ADI公司

Analog Devices, Inc.是全球领先的高性能模拟技术公司,致力于解决最艰巨的工程设计挑战。凭借杰出的检测、测量、电源、连接和解译技术,搭建连接现实世界和数字世界的智能化桥梁,从而帮助客户重新认识周围的世界。详情请浏览ADI官网http://www.analog.com/pr180522

欲浏览官方网站上的ADI新闻,请访问:http://www.analog.com/pr180522/news

欲订阅ADI公司的每月技术杂志Analog Dialogue《模拟对话》,请访问:http://www.analog.com/pr180522/analogDialogue

更多有关产品信息,请致电亚洲技术支持中心:400 6100 006, 或发送邮件至china.support@analog.com,也可点击ADI官方微博http://weibo.com/analogdevices,或通过手机登录m.analog.com 或http://www.analog.com/pr180522 了解最新产品等信息。

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Analog Devices 宣布推出 Power by Linear™ LT8361,该器件是一款具有一个内部 2A、100V 开关的电流模式2MHz 多拓扑 DC/DC 转换器。LT8361 在 2.8V 至 60V 的输入电压范围内工作,适合从单节锂离子电池到多节电池的电池组、汽车输入、电信电源和工业电源轨的多种输入电源应用。

• 查看 LT8361 产品页面、下载数据手册、订购样片和评估板:www.analog.com/cn/LT8361
LT8361 可配置为升压、SEPIC 或反相转换器。其开关频率可在 300kHz 至 2MHz 范围内设定,因而使得设计师能够最大限度缩减外部组件尺寸,并避开关键的频段 (比如 AM 无线电频段)。此外,该器件以 2MHz 频率切换时效率超过 90%。突发模式 (Burst Mode®) 操作使静态电流降至仅为 9µA,同时输出纹波保持在 15mVp-p 以下。小型 MSOP-16E 封装与纤巧的外部组件 (由于采用高开关频率) 相结合,确保高度紧凑的占板面积,同时最大限度降低解决方案成本。

LT8361 的375mΩ 电源开关提供高达 95% 的效率。LT8361 还提供扩展频谱频率调制,以最大限度减轻 EMI 问题。无论输出为正还是为负,都可用单个反馈引脚设定输出电压,从而尽可能减少引脚数。其他特性包括外部同步、可编程 UVLO、频率折返和可编程软启动。

LT8361EMSE 采用 MSOP-16E 封装 (去掉了 4 个引脚以满足高压引脚间隔要求)。工业温度 (–40°C 至 125°C) 版本 (LT8361IMSE) 和高温 (–40°C 至 150°C) 版本 (LT8361HMSE) 也已供货。所有版本都有现货供应。欲了解更多信息,请访问 www.analog.com.cn/LT8361

特性概要:LT8361

• 宽输入电压范围:2.8V 至 60V
• 内部 2A、100V 电源开关
• 超低静态电流和低纹波 Burst Mode 操作:IQ = 9μA
• 实现较高效率的 BIAS 引脚
• 利用单个反馈引脚实现正或负输出电压编程
• 可编程、可同步频率:300kHz 至 2MHz
• 用于实现低 EMI 的扩展频谱频率调制
• 耐热性能增强型 16 引脚 MSOP 封装

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在医疗设备、汽车仪器仪表和工业控制等科技领域中,当设备设计涉及应变计、传感器接口和电流监控时,通常需要采用精密模拟前端放大器,以便提取并放大非常微弱的真实信号,并抑制共模电压和噪声等无用信号。首先,设计人员将集中精力确保器件级噪声、失调、增益和温度稳定性等精度参数符合应用要求。

然后,设计人员根据上述特性,选择符合总误差预算要求的前端模拟器件。不过,此类应用中存在一个经常被忽视的问题,即外部信号导致的高频干扰,也就是通常所说的“电磁干扰(EMI)”。EMI可以通过多种方式发生,主要受最终应用影响。例如,与直流电机接口的控制板中可能会用到仪表放大器,而电机的电流环路包含电源引线、电刷、换向器和线圈,通常就像天线一样可以发射高频信号,因而可能会干扰仪表放大器输入端的微小电压。

另一个例子是汽车电磁阀控制中的电流检测。电磁阀由车辆电池通过长导线来供电,这些导线就像天线一样。该导线路径中连接着一个串联分流电阻,然后通过电流检测放大器来测量该电阻上的电压。该线路中可能存在高频共模信号,而该放大器的输入端容易受到这类外部信号的影响。一旦受到外部高频干扰影响,就可能导致模拟器件的精度下降,甚至可能无法控制电磁阀电路。这种状态在放大器中的表现就是放大器输出精度超过误差预算和数据手册中的容差,甚至在某些情况下可能会达到限值,从而导致控制环路关断。

EMI是如何造成较大的直流偏差呢?可能是以下一种情形:根据设计,很多仪表放大器可以在最高数十千赫的频率范围内表现出极佳的共模抑制性能。但是,非屏蔽的放大器接触到数十或数百“兆赫”的RF辐射时,就可能会出现问题。此时放大器的输入级可能会出现非对称整流,从而产生直流失调,进一步放大后,会非常明显,再加上放大器的增益,甚至达到其输出或部分外部电路的上限。

关于高频信号如何影响模拟器件的示例

本例将详细介绍一种典型的高端电流检测应用。图1所示为汽车应用环境中用于监控电磁阀或其它感性负载的常见配置。

图1. 高端电流监控

我们采用两个具有类似设计的电流检测放大器配置,研究了高频干扰的影响。这两个器件的功能和引脚排列完全相同;不过,其中一个内置EMI滤波器电路,而另一个则没有。

图2. 电流传感器输出 (无内置EMI滤波器,前向功率 = 12 dBm, 100 mV/分频,3 MHz时直流输出达到峰值)

图2所示为输入在较宽频率范围内变化时电流传感器的直流输出与其理想值的偏差情况。从图中可以看出,在1 MHz至20 MHz的频率范围内,偏差最为显著(>0.1 V),且3 MHz时直流误差达到最大值(1 V),这在放大器0 V至5 V的输出电压范围中占据很大比例。

图3所示为采用另一种引脚兼容电流传感器时相同实验和配置的测试结果,其中电流传感器具有与之前示例相同的电路架构和类似的直流规格,但是内置输入EMI滤波电路。注意,电压范围扩大了20倍。

图3. 电流传感器输出 (内置EMI滤波器,前向功率 = 12 dBm, 5 mV/分频,>100 MHz时直流输出达到峰值)

这种情况下,40 MHz时误差仅为3 mV左右,且峰值误差(大于100 MHz时)小于30 mV,性能提高35倍。这点清楚地表明,内置EMI滤波电路有助于显著提高电流传感器防护性能,使其免受输入端存在的高频信号影响。在实际应用中,尽管并不清楚EMI的严重程度,但是如果使用内置EMI滤波功能的电流传感器,实际上控制环路将会保持在其容差范围内。

这两种器件都在完全相同的条件下进行测试。唯一不同就是AD8208(参见“附录”)在输入引脚和电源引脚上都配有内部低通RF输入滤波器。在芯片上增添这样的部件似乎微不足道,但是由于应用通常由PWM进行控制,这种情况下电流检测放大器必须能够承受最高45 V的连续开关共模电压。因此,要保持精确的高增益和共模抑制性能,输入滤波器必须严格匹配。

设计和测试时为何以及如何保证EMI兼容性

汽车应用对EMI事件尤其敏感,而在由中央电池、捆绑线束、各种感性负载、天线以及与汽车相关的外部干扰构成的嘈杂电气环境中,后者却是无法避免的。由于安全气囊配置、巡航控制、刹车和悬架等多种关键功能控制都涉及到电子设备,因此必须保证EMI兼容性,绝不容许因外部干扰而出现误报或误触发。早先,EMI兼容性测试是汽车应用中的最后一项测试。如果出现差错,设计人员就必须在仓促之间找出解决方案,而这往往涉及到改变电路板布局、额外添加滤波器,甚至是更换器件。

这种不确定性极大提高了设计成本,并给工程师造成了很多麻烦。一直以来,汽车行业都在采取切实措施来改善EMI兼容性。由于设备必须符合EMI标准,汽车OEM厂商现在要求半导体制造商(如ADI公司)必须在器件级执行EMI测试,然后才会考虑采用其生产的器件。现在,这一流程已经普及,所有IC制造商都使用标准规格来测试器件的EMI兼容性。

如欲了解各类型集成电路的标准EMI测试要求,请向国际电工委员会 (IEC)购买获取相关文档。通过IEC 62132和IEC 61967等文档则可以了解EMI和EMC,其中非常详细地描述了如何使用业界公认的标准来测试特定集成电路。上述各种测试都是根据这些指南说明进行的。

具体而言,这些测试都采用 “直接功率注入法”完成,这是一种通过电容将RF信号耦合至特定器件引脚的方法。根据待测IC的类型,针对不同的RF信号功率水平和频率范围,测试器件的每路输入。图4显示了在特定引脚上执行直接功率注入测试的原理示意图。

图4. 直接功率注入

这些标准中包含电路配置、布局方法和监控技术方面的大量必要信息,有助于正确理解器件测试成功与否。更为完整的IEC标准原理图如图5所示。

图5. EMI耐受性测试原理图

Summary

集成电路的EMI兼容性是电子设计能否成功的关键所在。本文仅从放大器是否内置EMI滤波器出发,介绍了两款非常类似的放大器执行直流测量时,在RF环境中的直流性能有何显著差别。在汽车应用中,考虑到安全性和可靠性时,EMI是一个非常重要的方面。如今,在设计和测试针对关键应用的器件时,IC制造商(如ADI公司)日益重视EMI耐受性方面的考虑因素。IEC标准非常详细地说明了有用的相关指导原则。对于汽车应用市场,AD8207, AD8208 和 AD8209等电流检测器件都通过了EMI测试。锂离子电池安全监控器AD8280和数字式可编程传感器信号放大器AD8556等新款器件经过专门设计和测试,符合EMI相关要求。

附录

AD8208的更多详情:AD8203(图A)是一款单电源差动放大器,非常适合在大共模电压情况下放大和低通滤波小差分电压。采用+5 V单电源供电时,输入共模电压范围为-2 V至+45 V。该款放大器提供增强的输入过压和ESD保护,并内置EMI滤波功能。

图A. AD8208差动放大器

AD8208具有出色的交流和直流性能,且通过相关认证,适合要求采用稳定可靠的精密器件来改善系统控制的汽车应用。失调和增益漂移典型值分别小于5 µV/°C和10 ppm/°C。该器件提供SOIC和MSOP两种封装,在DC至10 kHz范围内共模抑制比(CMR)最小值为80 dB。

另外提供一个外部可用的100kΩ电阻,可用来进行低通滤波以及建立20以外的增益。

作者:Henri Sino

Henri Sino是ADI公司马萨诸塞州威尔明顿市集成放大器产品(IAP)部门的一名应用工程师。他拥有伍斯特理工学院电气工程学士(BSEE)学位,毕业后就加入ADI公司,迄今已工作了六年。在此期间,Henri主要负责为汽车和通信应用市场方面的产品和客户提供支持。

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Stefano Gallinaro ADI公司

各种应用的功率转换器正从纯硅IGBT转向SiC/GaN MOSFET。一些市场(比如电机驱动逆变器市场)采用新技术的速度较慢,而另一些市场(比如太阳能逆变器、电动汽车牵引逆变器和充电器市场)在创新中发挥着关键作用。

预计未来五年太阳能市场将以10%的年复合增长率增长,非常乐观,而光伏系统价格预计将再下降20%。这很可能是光伏逆变器电子元件技术进步的结果。功率开关 (SiC/GaN MOSFET) 的新技术将提高开关频率,从而减小电感和电容尺寸,同时要求更精确、更快速、能效更高的检测、控制和驱动IC。到2021年,在全部电站级逆变器中,30 kW至100 kW的1500 VDC电站级串式逆变器将占有90%以上的市场份额。它们代表了采用创新多电平拓扑结构的新型高密度SiC/GaN功率开关的测试基准。

电动汽车 (EV) 和储能系统 (ESS) 等颠覆性新应用,产生了对超高效率、高功率密度、高频SiC功率转换器的需求。车载牵引电机驱动器希望获得最高功率密度以减小尺寸和重量,并刷新新的效率记录,而车外快速充电器希求高电压(高达2000 VDC、> 150 kW)和复杂的高频拓扑结构,从而降低磁性部件、机械部件和总成的整体系统成本。除此之外,这些新应用也推动了创新多核控制处理器的发展,并能管理复杂的控制算法,确保系统在双向模式下(从交流电网到直流负载及相反)工作时的效率和稳定性。

图1. ADI公司IC生态系统

驱动SiC/GaN功率开关需要设计一个完整的IC生态系统,这些IC经过精密调整,彼此配合。设计重点不再只是以开关为中心,必须加以扩大。应用的工作频率、效率要求和拓扑结构的复杂性要求使用同类最佳的隔离式栅极驱动器(例如ADuM4135),其由高端隔离式电源电路(例如LT3999)供电。控制须利用集成高级模拟前端和特定安全特性的多核控制处理器(例如ADSP-CM419F)完成。最后,利用高能效隔离式∑-∆型转换器(例如AD7403)检测电压,从而实现设计的紧凑性。

在Si IGBT到SiC MOSFET的过渡阶段,必须考虑混合拓扑结构,其中SiC MOSFET用于高频开关,Si IGBT用于低频开关。隔离式栅极驱动器必须能够驱动不同要求的开关,其中较多的是并联且采用硅IGBT/SiC MOS混合式多电平配置。客户希望一种器件就能满足其所有应用要求,从而简化BOM并降低成本。利用多电平转换器很容易达到1500 VDC以上的高工作电压(例如大规模储能使用2000 VDC),此类电压对于为安全而实施的隔离栅是一个重大挑战。

ADuM4135隔离式栅极驱动器采用ADI公司经过验证的iCoupler®技术,可以给高电压和高开关速度应用带来诸多重要优势。ADuM4135是驱动SiC/GaN MOS的最佳选择,出色的传播延迟优于50 ns,通道间匹配小于5 ns,共模瞬变抗扰度 (CMTI) 优于100 kV/μs,单一封装能够支持高达1500 VDC的全寿命工作电压。

图2. ADuM4135评估板

ADuM4135采用16引脚宽体SOIC封装,包含米勒箝位,以便栅极电压低于2 V时实现稳健的SiC/GaN MOS或IGBT单轨电源关断。输出侧可以由单电源或双电源供电。去饱和检测电路集成在ADuM4135上,提供高压短路开关工作保护。去饱和保护包含降低噪声干扰的功能,比如在开关动作之后提供300 ns的屏蔽时间,用来屏蔽初始导通时产生的电压尖峰。内部500 µA电流源有助于降低器件数量;如需提高抗噪水平,内部消隐开关也支持使用外部电流源。考虑到IGBT通用阈值水平,副边UVLO设置为11 V。ADI公司iCoupler芯片级变压器还提供芯片高压侧与低压侧之间的控制信息隔离通信。芯片状态信息可从专用输出读取。器件原边控制器件在副边发生故障后复位。

对于更紧凑的纯SiC/GaN应用,新型隔离式栅极驱动器ADuM4121是解决方案。该驱动器同样基于ADI公司的iCoupler数字隔离技术,其传播延迟在同类器件中最低 (38 ns),支持最高开关频率和150 kV/μs的最高共模瞬变抗扰度。ADuM4121提供5 kV rms隔离,采用宽体8引脚SOIC封装。

图3. ADuM4135框图

图4. ADuM4121框图

图5. ADuM4121评估板

当隔离式栅极驱动器用在高速拓扑中时,必须对其正确供电以保持其性能水平。ADI公司的LT8304/LT8304-1是单芯片、微功耗、隔离式反激转换器。这些器件从原边反激式波形直接对隔离输出电压采样,无需第三绕组或隔离器进行调节。输出电压通过两个外部电阻和第三个可选温度补偿电阻进行编程。边界工作模式提供一种具有出色负载调整率的小型解决方案。低纹波突发工作模式可在小负载时保持高效率,同时使输出电压纹波最小。散热增强型8引脚SO封装中集成了2 A、150 V DMOS功率开关,以及所有高压电路和控制逻辑。LT8304/LT8304-1支持3 V至100 V的输入电压范围,最多可提供24 W的隔离输出功率。

ADI公司的LT3999是一款单芯片、高电压、高频率DC-DC变压器驱动器,提供隔离电源,解决方案尺寸很小。LT3999的最大开关频率为1 MHz,具有外部同步能力和2.7 V至36 V的宽输入工作电压范围,代表了为高速栅极驱动器提供稳定受控谐波和隔离电源的最高技术水准。它采用裸露焊盘的10引脚MSOP和3 mm × 3 mm DFN封装。

图6. LT3999评估板

系统控制单元(一般是MCU、DSP或FPGA的组合)必须能够并行运行多个高速控制环路,而且还能管理安全特性。它们必须提供冗余性以及大量独立的PWM信号、ADC和I/O。ADI公司的ADSPCM419F支持设计人员通过一个混合信号双核处理器来管理并行高功率、高密度、混合开关、多电平功率转换系统。

图7. ADSP-CM419F框图

ADSP-CM419F基于ARM® Cortex®-M4处理器内核,浮点单元工作频率高达240 MHz,而且包含一个工作频率高达100 MHz的ARMCortex-M0处理器内核。这使得单个芯片可以集成双核安全冗余性。主ARM Cortex-M4处理器集成带ECC(错误检查与校正)的160 KB SRAM存储器,带ECC的1 MB闪存,针对功率转换器控制而优化的加速器和外设(包括24个独立的PWM),以及由两个16位SAR型ADC、一个14位M0 ADC和一个12位DAC组成的模拟模块。ADSP-CM419F采用单电源供电,利用内部稳压器和一个外部调整管自行生成内部电压源。它采用210引脚BGA封装。

图8. ADSP-CM419F评估板

快速精确的电压检测是高速设计必备的功能。ADI公司的AD7403是一款高性能二阶∑-∆调制器,能将模拟输入信号转换为高速(高达20 MHz)单比特数据流。8引脚宽体SOIC封装中集高速互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术与单芯片变压器技术(iCoupler技术)于一体。AD7403采用5 V电源供电,可输入±250 mV的差分信号。通过适当的数字滤波器可重构原始信息,以在78.1 kSPS时实现88 dB的信噪比 (SNR)。

为使客户的新一代功率转换器设计具备高性能、高可靠性和市场竞争力,ADI公司已决定开发各种硬件和软件设计平台,其既可用于评估IC,又可作为完整系统的构建模块。这些设计平台目前针对战略客户而推出,代表了驱动新一代SiC/GaN功率转换器的完整IC生态系统的最高水准。设计平台类型众多,既有用于高电压、大电流SiC功率模块的隔离式栅极驱动器板,也有完整的交流/直流双向转换器,其中ADSP-CM419F的软件在正确控制SiC/GaN功率开关方面起着关键作用。

作者简介

Stefano Gallinaro于2016年加入ADI公司再生能源业务部。他负责管理太阳能、电动汽车、充电和储能领域的战略营销活动,同时特别关注功率转换。他在慕尼黑工作,负责全球相关业务。Stefano曾在意大利都灵理工大学学习电子工程,获学士学位。他的职业生涯始于意大利奥斯塔的STMicroelectronicsSrl—DORA S.p.A.,担任应用工程师。2016年加入ADI公司之前,他在德国安达赫治Vincotech GmbH担任了两年半的产品营销经理。联系方式:stefano.gallinaro@analog.com

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伺服系统广泛用于机床工具、纺织机械、印刷机械、激光雕刻机等传统OEM行业。机器人、机床、电子半导体以及风电太阳能等新能源对交流伺服的需求增长较快,不同细分领域的竞争格局差异较大。现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域,比如火炮、雷达控制等,后来逐渐进入到工业领域和民用领域。

1. 电子机械
由于中国逐渐发展为制造业大国,在电子行业尤其如此,中国已经成为各类消费电子产品如电视、手机、电脑等的世界制造工厂。因此产生了大量电子产品加工机械的需求。自动邦定机、固晶机是其中发展较快的两类产品。这两类机械通常一台机械配有3~6轴伺服,有些厂家一年就可生产上千套机器,因此对伺服产品需求量巨大。但这两类机械通常要求伺服快速、定位精度要求非常高,这就要求伺服产品具有小功率、小惯量、高精度的性能,适用伺服产品的功率范围一般在1KW以下,但精度通常要求达到17位编码器反馈。集成电路封装机、自动点胶机也是电子行业发展较快的分支产品,但对伺服精度要求较低,通常11位编码器反馈即可。目前此行业中松下伺服产品得到广泛应用。

2. 检测试验机械
在OEM行业,最终用户对机械生产产品质量要求越来越高,因此也产生了一类新的设备,即对产品质量的检测或试验设备。此类设备中对伺服有大量需求的机械有材料试验机(用于生产出的材料测试)、飞针测试机(用于对电子线路板质量测试)、光学检测设备等机械。这类设备对伺服的要求通常功率在5KW以下,位控精度要求较高,目前此行业中,安川伺服产品得到广泛应用。

3. 风力发电
2016年中国风电并网装机超过1.49亿千瓦,居全球首位。作为后起之秀,2005年中国风电总装机占全球装机仅为2.0%,仅仅十年时间中国风电累计装机占全球装机比例已达25.9%。风电的迅速发展不仅向中国各地输送了绿色清洁能源,同时也催生了中国风电产业链的繁荣发展。风电开发要实现大中小、分散与集中、陆地与海上开发相结合,通过风电开发和建设,促进风电技术进步和产业发展,实现风电设备制造自主化,尽快使风电产业具有市场竞争力,力争2020年我国风电技术达到世界领先水平。在“三北”(西北、华北北部和东北)等风资源富集地区,建设大型和特大型风电场,同步开展电力外送和市场消纳研究。发展海上风电,坚持海洋规划先行,避免无序发展。坚持统一规划,加快制定相关政策措施,促进低风速地区资源开发,因地制宜地建设中小型风电场,采用低速风机,就近上网本地消纳。在偏远地区,因地制宜发展离网风电。规划2020年风电装机总量为1.8亿千瓦。伺服系统主要应用于风机变浆系统,路斯特伺服产品由于针对风电行业单独定制,因此在风电行业被广泛使用。
4. 包装机械
包装机械行业对于伺服产品是潜力非常大的行业市场。2016年包装机械行业工业总产值同比去年增长1.6%。金融危机从某种程度上算得上是我国包装机械行业的利好消息。因为在宏观经济不景气的态势下,国外的包装工业企业为了节约成本,纷纷采用较为廉价的中国设备来替代发达国家的昂贵设备。那么全球经济的逐步回暖,我国包装机械自动化水平不高的劣势将显露无疑。因此,提高产品的自动化程度已经成为我国包装机械行业的当务之急。国内厂商可多关注出口较多的包装机械企业,寻求新的市场突破口。

供稿:睿工业
全文见《伺服与运动控制》2018年第二期

本文来源:四大伺服系统新兴市场以及趋势分析

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