电源

电源逆变器应用中隔离架构、电路和元件的选择

作者:Aengus Murray 和Robert Zwicker,ADI公司

电机和电源控制逆变器设计人员都会遇到相同的问题,即如何将控制和用户接口电路与危险的功率线路电压隔离。隔离最主要的要求是方式功率线路电压损坏控制电路,更重要的是,保护用户受到危险电压伤害。系统必须符合相应国际标准规定的安全要求,例如涵盖电机驱动和太阳能逆变器的IEC 61800和IEC62109。这些标准主要注重符合性测试。标准的符合性测试会如何赋予工程师自由度?标准会在安全性方面为工程师提供指导,但如何赋予工程师自由度,以便可以选择符合目标系统规格以及标准的相应架构、电路和元件呢?这些是由电路满足在效率、带宽和精度方面提供系统所需性能,同时又满足安全隔离要求来决定的。设计创新系统的难题是,为现有架构、电路和元件制定的设计规则可能不再适用。因此,工程师需要花时间认真评估新电路或元件符合EMC和安全性标准的能力。某些地区工程师的责任更大,一旦所设计系统的安全功能失效并导致伤害,工程师可能需要承担个人责任。本文探讨了系统架构选择对电源和控制电路设计以及系统性能的影响。本文还将说明最新可用隔离元件的性能提升如何帮助替代架构在不影响安全性的前提下提升系统性能。

隔离架构

用于 3.3V 电压轨的简单备份电源

作者:Victor Khasiev,凌力尔特应用工程师

在嵌入式系统需要可靠供电的电信、工业和汽车应用中,数据丢失是一个关切的问题。供电的突然中断会在硬盘和闪存器执行读写操作时损坏数据。设计师常常使用电池、电容器和超级电容器来存储足够的能量,以在供电中断期间为关键的负载提供短期电源支持。

LTC®3643 备份电源使设计师能够采用一种相对便宜的储能元件:低成本电解电容器。在这里提及的备份电源或保持电源中,当电源存在时,LTC3643 把存储电容器充电至 40V,而当电源中断时,LTC3643 则把该存储电容器的电能释放给关键的负载。负载 (输出) 电压可设置为介于 3V 和 17V 之间的任何电压。

LTC3643 可容易地适用于 5V 和 12V 电压轨的备份解决方案,但是 3.3V 电压轨解决方案则需要格外谨慎。LTC3643 的最小工作电压为 3V,比较接近于 3.3V 的标称输入电压电平。如图 1a 所示,当采用一个隔离二极管以使备份电压电源与非关键的电路分离时,这种余量就太严紧了。如果 D1 是一个肖特基二极管,其正向压降 (作为负载电流和温度之函数) 会达到 0.4V 至 0.5V,足以把 LTC3643 VIN 引脚上的电压置于 3V 最小值以下。因此,备份电源电路可能无法启动。

作者:Snehal Prabhu和Ian Beavers ADI公司

摘要

犯错乃人之常情。但对于系统的模数转换器(ADC),我们能够提出什么样的要求呢?我们将回顾转换误差率(CER)测试的范围和高速ADC的分析。取决于采样速率和所需的目标限值,ADC CER测量过程可能需要数周或数月时间。为实现高置信度(CL),出现首次错误之后常常还需要进行测试(Redd,2000)。对于那些要求低转换误差率的系统,需要付出努力来详尽地予以量化。一切完成后,我们便能确定高置信度的误差率—优于10–15。

许多实际高速采样系统,如电气测试与测量设备、生命系统健康监护、雷达和电子战对抗等,不能接受较高的ADC转换误差率。这些系统要在很宽的噪声频谱上寻找极其罕见或极小的信号。误报警可能会引起系统故障。因此,我们必须能够量化高速ADC转换误差率的频率和幅度。

CER与BER

Xilinx ZYNQ器件包含Cortex-A9双核和丰富的可编程逻辑资源,作为业界领先的可编程SOC已应用到众多领域中,尤其在工业控制,机器视觉等市场有巨大的发展潜力。在提升性能的同时ZYNQ的硬件电路设计也给研发人员带来了挑战。文中,安富利Xilinx团队ZYNQ技术专家联合安富利TI团队的电源和信号链工程师将深入探讨ZYNQ器件在硬件开发中的关键技术以及具体应用方案,旨在为广大客户提供基于ZYNQ的硬件参考平台和完整解决方案。

作者:stark

当我们设计每一块PCB时电源部分都是重要的组成部分,电源电路设计的好坏直接反应出产品性能的好坏。除了一些布局布线的要求,现在很多SoC、FPGA器件设计的越来越复杂,光电源部分就需要多种不同的电压/电流供应,而且还需要保证一定的上电顺序。每一块PCB的设计都需要制定自己的设计规范,因此PCB电源设计是工程师不可避免的一个难题。

简单五步快速创建复杂多负载电源解决方案

每个应用都需要电源,但电源往往是最后才被考虑的事情。工程师可能只是根据负载需要和价格来选择电源解决方案。设计电源解决方案时拥有更多信息有助于做出更好选择,从而改进最终产品,并降低成本不菲的返工风险。

例如,选择电源解决方案时可能忽略效率问题,但效率对最终产品在系统运行时的发热具有显著影响。低效率设计首先会消耗更多电能,并且产生更多热量。而应用中很可能已经有高耗电FPGA、图形处理器或MCU。最大限度降低来自其他来源(如DC- DC电源转换)的热量,有助于将整个系统的热负荷控制在最小。另一种常见情况是电池供电的产品,这时电源效率与电池寿命直接相关,所以设计工程师绝不能忽视它。

但是,即便提前进行计划,要找到既能满足输入/输出要求,又能实现高效率和其他设计考虑的器件也非易事。工程师可能要花好几个小时搜索参数,然后查阅产品数据表,以获得更多信息和效率曲线,从而确定某个元件是否适合其应用。工程师没有这么多时间,但幸运的是,有一个应用程序来帮助完成这个任务。

Intersil的PowerCompass™工具可将电源设计时间从几个小时缩短到几分钟。PowerCompass™设计工具可根据用户的具体要求推荐合适元件,并提供所需的相关数据,以便用户决定为其应用选择器件,从而简化电源设计过程。

集成功率器件可简化FPGA和SoC设计

工业电子产品的发展趋势是更小的电路板尺寸、更时尚的外形和更具成本效益。由于这些趋势,电子系统设计人员必须降低印刷电路板(PCB)的尺寸和成本。使用现场可编程门阵列(FPGA)和片上系统(SoC)的工业系统需要多个电源轨,同时面临小尺寸和低成本的挑战。集成柔性功率器件可以为这种应用显著降低成本,减小解决方案尺寸。

集成柔性功率器件在同一封装内包含多个DC/DC转换器。这些DC/DC转换器可以是单个封装中的降压转换器、升压转换器和/或LDO的任何组合。图1是一个示例功能框图,其中LM26480包括两个2MHz高效1.5A降压转换器和连个300mA LDO。

图1:LM26480功能框图

图1:LM26480功能框图

面向Zynq IIoT应用电源解决方案参考设计

作者:Stark

Xilinx Zynq-7000全可编程SoC器件自从面向市场以来受到了很大欢迎,被应用到很多系统设计当中,是针对各类系统设计问题的最智能化解决方案,无与伦比的集成、高性能和低功耗等优势。与此同时这也给电源模块的设计带来了很大考验,美国芯源系统有限公司(Monolithic Power Systems, 简称MPS)为此设计了一个电源模块。采用了6个MPS电压转换校准芯片,分别是3个MPM3630 3A转换器、1个MPM3610 1A转换器和2个LDO转换器。(图1 MPS公司设计的Zynq-7000 SoC电源模块)

该电源模块共有12个电压通道输出,输出的电源电压分别包括0.75V、1.0V、1.5V、1.8V、2.5V和3.3V,完全满足Zynq SoC器件的电源需求。

图2 MPS公司Zynq电源解决方案设计模块图

不要这样为您的FPGA供电!

糟糕。我将现场可编程门阵列(FPGA)连接到我的DC/DC转换器的输出,现在DC/DC无法启动。当使用示波器观察电路时,我看到图1所示的情形。输出电压未进入调压模式。哪里发生故障了呢?

图1:由于该FPGA具有较高的启动负载和极高的去耦电容,DC/DC转换器无法使其输出电压进入调压模式

图1:由于该FPGA具有较高的启动负载和极高的去耦电容,DC/DC转换器无法使其输出电压进入调压模式

Xilinx Virtex Ultrascale™ FPGA 电源解决方案

PMP9475 12V 输入参考设计以紧凑高效的设计提供为 Xilinx's Virtex® Ultrascale™ 系列 FPGA 供电时所需的所有电源轨。此设计使用几个 TI 的 PMBus 负载点电压稳压器以简化临界轨的设计/配置和遥测。它采用一个 UCD90120A,可实现灵活的加电和断电排序并通过 PMBus 接口实现电压监控、电流监控和电压裕量调节。

特性
提供 Xilinx Virtex® Ultrascale™ FPGA 所需的所有电源轨
设计已经过优化,支持 12V 输入
板载加电和断电排序
具有输出电压和电流报告功能的 PMBUS 接口
电压裕量调节功能

同步内容