保護(hù)您的小型傳感器免受惡劣工業(yè)環(huán)境的影響

對(duì)24V輸入電源的適當(dāng)保護(hù)最好由能夠承受60V輸入的降壓轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。我們引入了一種顛覆性的方法，通過基于uSLIC?技術(shù)的新穎、小型化、易于設(shè)計(jì)、高性能降壓轉(zhuǎn)換器模塊來擴(kuò)展輸入電壓額定值和功率密度包絡(luò)。該電源模塊是一款高效率、小尺寸、低EMI降壓轉(zhuǎn)換器，非常適合為工業(yè)應(yīng)用中的微型傳感器供電。

介紹

傳感器在電氣惡劣的工業(yè)環(huán)境中無處不在。隨著它們越來越復(fù)雜，尺寸越來越小，它們變得越來越復(fù)雜，需要板載開關(guān)穩(wěn)壓器更有效地提供電力，從而最大限度地減少熱量產(chǎn)生。如何在高壓工業(yè)環(huán)境中安全地為微型傳感器提供低壓電源，同時(shí)最大限度地減小解決方案尺寸并提高效率？在本設(shè)計(jì)解決方案中，我們將回顧典型的工業(yè)傳感器架構(gòu)，并為這一挑戰(zhàn)提供創(chuàng)新的解決方案。

安全電源挑戰(zhàn)

傳感器“盒”包括一個(gè)前端收發(fā)器，用于處理數(shù)據(jù)并將電源路由到降壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器為 ASIC/微控制器/FPGA 和傳感元件提供適當(dāng)?shù)碾妷骸鞲衅魍ǔＳ?24V 直流電源 （V總線).電源路徑如圖2所示。

圖2.傳感器電源系統(tǒng)。

如果24V總線是干凈的，或者電噪聲水平低于前端開關(guān)穩(wěn)壓器的工作電壓，則無需保護(hù)（圖2中沒有TVS），并且典型最大輸入電壓為36V或42V的降壓轉(zhuǎn)換器足以滿足此傳感器設(shè)計(jì)的需求。

然而，工廠車間可能是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，長電纜和強(qiáng)電磁干擾導(dǎo)致高壓瞬變。因此，傳感器內(nèi)部的降壓轉(zhuǎn)換器必須承受遠(yuǎn)高于傳感器工作電壓的電壓瞬變。

典型的傳感器電源管理解決方案利用瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 來限制輸入電壓 （V抄送）的前端降壓轉(zhuǎn)換器。相關(guān)的輸入電流峰值由電阻R減小P，電壓瞬變源之間的電路徑中的寄生或物理元件（V總線） 和傳感器。

讓我們看看如何從 Littlefuse? 目錄中選擇一個(gè) TVS，例如。TVS的一般特性如圖3所示。

圖3.TVS V-I 特性。

TVS器件為開路，直到其兩端的電壓達(dá)到VBR.此時(shí)，它開始傳導(dǎo)電流，同時(shí)其電壓略微上升至其最大鉗位電壓VC，對(duì)應(yīng)于最大允許峰值脈沖電流 I聚丙烯.產(chǎn)品五Cx I聚丙烯是 TVS 可以處理的最大峰值功率（此 TVS 系列為 400W）。

為了有效保護(hù)，TVS VBR必須選擇高于 V恒流（最大）而VC必須低于開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入電壓擊穿。

我們的V總線電源電壓為 24V ±10%，最大值為 26.4V （V總線（最大）).目錄中最接近的 TVS 選擇是 SMAJ28A，最低電壓為 28VBR、45.4V 最大箝位電壓和 8.8A 最大峰值電流（圖 4）。TVS電壓和電壓瞬變之間的三角形產(chǎn)生通過電阻的電流，RP，必須低于允許的最大值 I聚丙烯.

圖4.最少的TVS選擇。

我們的降壓轉(zhuǎn)換器必須承受24V的事實(shí)直流至少 45.4V 瞬態(tài)電壓使一大組降壓轉(zhuǎn)換器無需考慮。

此外，通過上述選擇，最大V之間只有1.6V的裕量總線和最小TVS電壓（VBR).裕量越大，降壓轉(zhuǎn)換器的額定電壓（V抄送） 遠(yuǎn)高于 45.4V。理想情況下，對(duì)于額定電壓為 60V 的降壓轉(zhuǎn)換器，最小 V 的 SMAJ33ABR可以使用33V（和鉗位電壓VC53.3V，遠(yuǎn)低于60V）。這提供了高于V的6.6V的工作裕量總線（最大）和低于 60V 的 6.7V（圖 5）。

圖5.理想的電視機(jī)選擇。

傳感器小型化挑戰(zhàn)

對(duì)于傳感器小型化，將所有降壓轉(zhuǎn)換器元件放在同一平面上的典型PCB策略并不理想。在圖6中，300mA降壓轉(zhuǎn)換器IC和無源器件（L，R，C）需要很大的PCB面積（29.3mm2凈面積）。

圖6.典型平面降壓實(shí)現(xiàn)（29.3mm2凈面積）。

熱挑戰(zhàn)

傳感器具有密封外殼（沒有風(fēng)扇或冷卻），因?yàn)樗鼈兯幍沫h(huán)境惡劣。這個(gè)小外殼內(nèi)產(chǎn)生的少量熱量會(huì)迅速提高傳感器溫度，從而影響其可靠性。傳感器小型化的趨勢使其熱管理更具挑戰(zhàn)性。解決熱挑戰(zhàn)的解決方案是具有極高效率的降壓轉(zhuǎn)換器。

回顧上述問題：需要安裝在小PCB區(qū)域內(nèi)并具有60V擊穿電壓的高效降壓穩(wěn)壓器才能安裝在小型傳感器內(nèi)。

解決方案：uSLIC 電源模塊

解決空間問題的一種新方法是將電感垂直集成在IC頂部。一個(gè)例子是喜馬拉雅uSLIC電源模塊。它在比以往更小的空間內(nèi)提供更大的功率，具有高效率和易用性。uSLIC電源模塊垂直集成了電感器和降壓轉(zhuǎn)換器IC，大大減少了標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器解決方案占用的PCB空間。這仍然符合高壓耐受和高溫操作的期望。MAXM15064模塊采用扁平、緊湊、10引腳、2.6mm x 3mm x 1.5mm uSLIC封裝。該器件的工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。

圖8所示為MAXM15064 300mA、60V降壓轉(zhuǎn)換器uSLIC大幅減小尺寸。能夠滿足60V的最大工作電壓（不僅僅是絕對(duì)最大額定值）并支持低于1.8V的輸出電壓（以支持最新的數(shù)字IC），這是其顯著特征。由于電感器的垂直集成，凈元件面積僅為21mm2.

與圖6所示的IC解決方案相比，uSLIC模塊解決方案的凈元件面積減少了28%。

圖8.60V、300mA高壓模塊實(shí)現(xiàn)（21mm2凈面積）。

最小發(fā)熱

圖9所示為MAXM15064模塊在5V輸出和12V至60V輸入電壓下的效率。盡管尺寸很小，但降壓轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá)90%的峰值高效率。對(duì)于24V供電的應(yīng)用，uSLIC模塊在大多數(shù)工作范圍內(nèi)提供遠(yuǎn)高于80%的效率，確保低功率損耗和低發(fā)熱。

圖9.使用uSLIC將產(chǎn)生的熱量降至最低。

低排放

該模塊的PCB布局旨在最大限度地減少走線長度，并消除接地回路，以實(shí)現(xiàn)最小的輻射發(fā)射。使用高頻陶瓷電容器可最大限度地減少傳導(dǎo)輻射。圖10顯示，MAXM15064的輻射發(fā)射完全符合CISPR22 B類規(guī)范。

圖 10.輻射發(fā)射。

圖11顯示，MAXM15064的傳導(dǎo)輻射也完全符合CISPR22 B類規(guī)范。

圖 11.傳導(dǎo)排放。

結(jié)論

我們討論了為小型工業(yè)傳感器應(yīng)用提供更高功率、以最少的熱量產(chǎn)生來安全提供更高功率的挑戰(zhàn)。對(duì)24V輸入電源的適當(dāng)保護(hù)最好由能夠承受60V輸入的降壓轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。最后，我們引入了一種顛覆性的方法，通過基于uSLIC技術(shù)的新型、小型化、易于設(shè)計(jì)、高性能降壓轉(zhuǎn)換器模塊來擴(kuò)展輸入電壓額定值和功率密度包絡(luò)。MAXM15064 uSLIC功率模塊是一款高效率、小尺寸、低EMI降壓轉(zhuǎn)換器，理想用于工業(yè)應(yīng)用中的微型傳感器供電。

審核編輯：郭婷