处理 IIoT 设计中的电压摆幅

很多工业控制系统的电子元件一般内置于使用 DIN 导轨安装系统的机柜中，便于设计、集成和维护。 有众多标准电源、外壳和其他产品适合于 DIN 导轨制式。 这种可获取性减少了选择、鉴别和构建最终系统所需的时间。

工业物联网 (IIoT) 的发展趋势要求更高级的分布式控制。 出于响应能力和灵活性考虑，信息将移交到安装位置与实际传感器和致动器非常靠近的处理器。 但如果处理器能够通过有线和无线网络组合进行通信，便可以减少让处理器协同共存于一个外壳且通过 PCB 或背板总线共享数据的传统需求。

尽管目标系统可能设计成适合 DIN 导轨安装形式，但每个单元将变得更小，并需要单独电源，而不是一个较大机柜中共享的电源轨。 因为电源轨为多种环境提供安全电压电平，并能保持与现有环境的兼容性，所以 24 V_DC 电源轨作为导轨供电电子控制器电源在分散型和柜装式设备中仍可能很常用。

工业环境的性质意味着，控制器的电源仍须应对输入电压范围的较大变化，而这些变化是由附近设备或大型电感、电容元件的间歇性重载导致的感应电压和噪音产生的。 我们需要的是结构紧凑且能够在输入电压波动和剧烈的负载消耗变化下提供可靠电能的电源。 很多电子控制器在不活动时会掉电进入休眠模式以节约能源。 电源还需要能够高效响应这些情况。

Texas Instruments 生产的 LM43603 稳压器或 Linear Technology 的 LTM8025 可在连续导通模式 (CCM) 和断续导通模式 (DCM) 之间切换以应对功耗变化并支持输入电压变化。 在 CCM 模式（有助于将电流平稳输送到负载）下，电感器中的电流在切换循环中始终保持在零以上。 在 DCM 模式下，电感器中的电流则可降到零。 每次循环中通过转换器中的一对 FET 开关输送到电感器的电流量使用脉冲宽度调制 (PWM) 来确定。

图 1：连续导通模式下 PWM 控制式开关模式稳压器的电感器电流。

每次循环中，转换器首先打开高压侧 FET 开关一段时间，提供稳压输出电压。 打开的这段时间内，输出电压向输入电压摆动，流入电感器的电流开始以公式 (Vin - Vout)/L 给出的线性斜率上升。

当控制逻辑决定关闭高压侧开关以便稳压并防止电压继续朝着输入电压爬升时，低压侧开关将短时间保持关闭以防击穿，随后可以打开。 然后电感器电流开始以 -Vout/L 的斜率下降。

转换器中的 PWM 控制器对输出电压进行采样并将其与参考电压相比较，生成误差信号，用于计算两个相位的占空比。 在理想转换器设计中，占空比与输出电压成正比。 误差放大器确保 DC/DC 转换器调整占空比以保持稳压输出。

放大器生成的误差信号在任意时间点通常非常接近于零，因为输入电压和输出需求的变化通常慢于电源控制器的开关频率。 PWM 具有的调整功能便于在不影响负载电能供应的情况下补偿输入导轨上的摆幅。

使用高频开关使 LM43603 能够以 3.5 V 到 36 V_DC 之间的供电电压工作，并通过小尺寸解决方案的高效能和良好热性能提供高达 3 A_DC 的负载电流。 通过使用与 RT 信号（可反馈到 LM43603 控制器中的振荡器模块）相连接的可编程电阻器，可将开关频率设定为 200 kHz 到 2.2 MHz。 不使用外部电阻器的标准频率是 500 kHz。 LTM8025 以 200 kHz 到 2.4 MHz 的频率范围工作，并使用一个端子连接到 RT 引脚、另一端子接地的电阻器以相似的方式进行频率设定。

图 2：LM43603 框图。

在轻负载下，PWM 控制 CCM 稳压的效率明显下降。 DCM 通过将负载从输入上断开更长时间来提高效率，在此时间内，电感器电流可降到零。 该模式下，输出电容器有助于将纹波的影响降至最低。

如果是 LM43603，转换器将在负载电流低于 CCM 中峰间电感器电流纹波的一半值时转到 DCM。 零电流时关闭低压侧 FET 可降低开关损耗。 在 DCM 下，开关频率会降低。 采样的输出电压降到可接受值以下时，转换器将打开高压侧 FET。

LM43603 和 LTM8025 等器件对大部分输入和输出电容器表现稳定。 陶瓷电容器因体积小巧而广受青睐，因为高频工作和电压为 3 到 12 V_DC 的典型混合信号电路的电容要求通常小于 100 µF。 陶瓷电容器小巧、坚固且 ESR 极低。 但不是所有陶瓷电容器都适合。 X5R 和 X7R 陶瓷电容器在不同温度和电压下电容量稳定，相比之下，Y5V 和 Z5U 的电容量受温度和电压的影响很大。 使用时，它们达到的电容可能与标称电容相去甚远，从而导致输出电压纹波比预期高得多。

图 3：LTM8025 框图。

陶瓷电容器也是压电电容器。 在 DCM 或猝发模式下，开关频率取决于负载电流，并可在声音频率范围内激励陶瓷电容器，从而产生可闻噪音。 因为在 DCM 条件下产生的电流较低，噪音通常较低，但如果可闻噪音无法接受，高性能电解电容器可能更适合。 或者，可以使用陶瓷电容器和低成本电解电容器的并联组合。

软启动能力是另一项重要考量因素。 例如，LM43603 有一个软启动控制引脚：SS/TRK。 使用该引脚后，输入电压一施加，就会迫使稳压器在一段时间内缓慢提升输出电压。 如果 SS/TRK 引脚保持浮动，LM43603 将使用其自带的斜坡时间控制器，只需 4 ms 即可使输出电压提升到满额输出。

对于采用很高输出电容的应用或使用相对较高的输出电压的系统，可在 SS/TRK 引脚和设备模拟接地基准引脚 (AGND) 之间连接一个外部电容器来延长启动时间。 电容值决定斜坡时间。 或者，软启动控制器可以使用描述所需斜坡曲线的电阻分频器对和外部电压源来跟踪外部斜坡信号。

LTM8025 的软启动控制通过使用连接到 RUN/SS 引脚的电容器来实现的，此时通过一个电阻器连接到外部电压源来进行接地。 最终 RC 时间常数决定软启动时间。

图 4：LM43603 软启动的外部斜坡信号连接。

图5：生成 LTM8025 软启动斜坡的连接。

由于 IIoT 电源控制器需要适应较小空间并轻松集成到工业设备中，因此电磁兼容性 (EMC) 是一个重要考量因素。 确保对开关模式电源稳压器产生的电磁干扰 (EMI) 进行控制的关键是使 di/dt 回路尽可能小。 LM43603 和 LTM8025 等器件具有的高集成度在很大程度上能够实现这一点。

图 6：开关模式降压转换器的关键 di/dt 回路。

但在放置外部器件时需小心，尤其是针对反馈节点时。 外部电阻器和旁通电容器的走线应尽可能短。 到电阻器的 PCB 印制线过长会导致产生过多的 EMI。 屏蔽也很重要，在 PCB 中使用附加接地层可在实现高度屏蔽效果。

通过使用 LM43603 和 LTM8025 等高集成度稳压器，面向 IIoT 的工业控制器设计师即可确保提供稳定的 DC 电源，并能高枕无忧地控制最终产品的 EMC。

图 7：LM43603 的低 EMI 布局建议。