工业自动化电源困境：第 2 部分

简介

同步开关技术通常用于系统中，以帮助消除在连接或断开电容器组与有源配电馈线时可能发生的干扰。然而，随着其使用，电压尖峰和不规则问题也随之出现。

本应用笔记是有关工业自动化电源设计中的高压同步稳压器的两部分系列的第 2 部分。第 1 部分讨论工业控制架构以及电源需求和困境。在本系列的第 2 部分中，我们讨论新型电源如何采用同步开关技术，同时能够承受高达 60V 的电压峰值并提供高达 3.5A 的电流，这在以前是不切实际的。这些功能可提高效率，进而降低热量产生和功耗、减少组件占用空间并限制分立外部组件的数量，从而简化工业自动化系统电源设计。

新型同步稳压器

同步稳压器似乎是应对工业自动化系统电源设计挑战的完美答案。这些器件高效、限制功耗并降低系统温度。它们需要很少的空间并降低 BOM 成本。

许多同步稳压器的工作电压额定值高达 28V，少数则工作电压高达 40V。然而，这些设备中的大多数对过压特别敏感，因为它们的工作电压和电压额定值之间几乎没有余量。主电源供电系统特有的电压尖峰可能会迅速损坏这些组件。

一种解决方案是使用保护钳位来保护同步调节器，将电压尖峰限制在低于组件额定电压的水平。然而，这些钳位会增加成本、占用空间并延长设计进度，从而抵消了使用同步稳压器的许多好处。这给工业自动化系统工程师带来了一个两难的境地：他/她是否可以从同步调节器的更高效率中受益，并接受电压钳位的额外麻烦？或者，他/她是否选择了一个异步稳压器，该稳压器可以处理可能出现的系统过压，但会消耗更多功率并变得更热？

半导体供应商在研发方面投入巨资来解决这一困境，一些能够处理高达 60V 甚至 75V 输入电压的器件现已进入市场。然而，这些设备的输出电流仅限于几百毫安，远远低于工业自动化系统中使用的许多设备（尤其是 PLC）的要求。

但现在，新一代高压、高输出电流同步稳压器已经上市。这些新型高性能芯片的一个例子是 Maxim 的 MAX1750x 系列。该器件集成了两个 MOSFET，无需外部肖特基二极管及其相关外部组件。

该新型同步稳压器模块系列可处理高达 60V 的电压，并提供包括 500mA、1A、2.5A 和 3.5A 在内的电流输出。该公司还可以为使用 4-20mA 回路的工业自动化系统传感器提供输出低至几十毫安的相关产品。

例如，MAX17503 的设计效率高达 90%，运行温度比竞争对手的高压异步稳压器低 50%。该器件可在 4.5V 至 60V 输入电压范围内工作，并提供高达 2.5A 的输出电流。图1显示了MAX17503（及其姊妹产品MAX17501）在工业自动化系统中的典型应用。

 
MAX17501和MAX17503 DC-DC转换器的目标应用是工业自动化系统。

此外，MAX17503可节省高达50%的电路板空间，并减少高达75%的元件数量。从 200kHz 到 2.2MHz 的高频开关允许缩小外部电感器以节省更多空间。

此外，MAX1750x稳压器还具有PFM功能。PFM 的工作原理是在轻负载时禁用反向电感电流并跳过脉冲。PFM 的优点是轻负载时效率更高，因为从电源汲取的静态电流 (IQ) 较低。

500kHz开关频率的MAX17503应用电路。

MAX1750x稳压器的高集成度不仅减少了外部元件数量并降低了成本，而且还缓解了设计挑战。工程师无需计算外部电容器和补偿电阻器的值，??也无需获取外部电容器和补偿电阻器的源，因为这些工作已经完成。图2所示为该芯片的应用电路。

结论

在本系列的第 1 部分中，我们研究了工业控制架构和高压同步稳压器的需求。在第 2 部分中，我们重点关注新型同步稳压器系列以及影响功率预算问题的技术。通过解决工业自动化系统的电源困境，新一代同步稳压器使工程师能够专注于优化工业自动化系统的运行，而不是费力地提供强大的电源。欲了解更多信息，请参考MAX17503A评估套件(适用于3.3V输出电压应用)和MAX17503B评估套件(适用于5V输出电压应用)。