因應 IIoT 設計中的電壓擺動

傳統上，許多工業控制系統的電子裝置皆裝入採用 DIN 軌安裝系統的機櫃中，以便簡化設計、整合和維護作業。 有許多種標準電源供應器、外殼和其他產品皆支援 DIN 軌形式。 此可用性有助於縮短選擇、審核以及打造最終系統所需的時間。

工業物聯網 (IIoT) 的發展趨勢要求更高級的分散式控制。 基於反應性和靈活性的考量，智慧能力必須仰賴處理器提供，也因此安裝時必須緊靠實體感測器與致動器。 處理器可透過有線與無線網路的組合進行通訊，因此能減少在單一外殼中協同處理器使其共存的需求，否則在以往必須透過 PCB 或背板匯流排共用數據。

雖然目標系統可設計為適合 DIN 軌道以方便安裝，但每個裝置將變得更小，且需要個別電源，而非在大型機櫃內共用電源軌。 由於能為眾多環境提供安全電壓位準並保留既有環境的相容性，24 V_DC 仍可能在離散型與機櫃式設備中當作常用的供電軌電子控制器。

基於工業環境的本質，控制器的電源供應器仍須因應由附近設備的感應電壓和雜訊，或是大型電感和電容元件的間斷性大量負載，對輸入電壓範圍所產生的大量變化。 我們需要小巧的電源，且可在輸入電壓波動以及負載消耗量大幅變化時仍提供穩定能量。 許多電子控制器在非作用時會斷電進入休眠模式，以便省電。 電源供應器亦必須針對這些狀況有效率地應變。

例如 Texas Instruments 的 LM43603 穩壓器，或是 Linear Technology 的 LTM8025 皆可在連續導通模式 (CCM) 與非連續導通模式 (DCM) 之間切換，藉此因應耗電變化並支援輸入電壓變動。 在 CCM 模式中，電感可用來協助順利傳送電流至負載，其中的電流在切換週期的任一階段中皆會一直大於零。 在 DCM 模式中，電感中的電流則可降至零。 在各個週期中，透過轉換器的 FET 開關組傳送到電感的電流量，會透過脈寬調變 (PWM) 進行決定。

圖 1：在 PWM 控制的切換模式穩壓器中，連續導通模式下的電感電流。

在每個週期中，轉換器會先開啟高側 FET 開關一段時間，以供應穩壓輸出電壓。 在此導通時間內，輸出電壓會朝輸入電壓向上擺動，而流入電感的電流會依方程式 (Vin - Vout)/L 指定的線性斜率開始上升。

若控制邏輯決定關閉高側開關以穩定電壓，避免繼續攀升至輸入位準，則低側開關會在短時間維持關閉以免擊穿，隨後即可開啟。 接著電感電流會開始以 -Vout/L 的斜率下降。

轉換器內部的 PWM 控制器會對輸出電壓進行取樣，並將其與參考電壓進行比較，以生成誤差訊號用於計算兩個相位的工作週期。 在理想的轉換器設計中，工作週期應與輸出電壓成比例。 誤差放大器可確保 DC/DC 轉換器調整工作週期，以保持穩壓輸出。

一般而言，放大器產生的誤差訊號在任何時候皆相當趨近零，這是因為輸入電壓與輸出需求的變化通常會比電源控制器的切換率還慢。 PWM 提供的調適功能，可針對輸入軌的擺動進行補償，而不會影響負載供電。

採用高頻切換，能讓 LM43603 透過 3.5 V 至 36 V_DC 的電源電壓運作，並可用小型解決方案提供高達 3 A_DC 負載電流，並達到高效率與優異的散熱效能。 透過連接 RT 訊號（饋入 LM43603 控制器中的振盪器模組）的可編程電阻，即可編程切換頻率，範圍介於200 kHz 至 2.2 MHz。 不使用外部電阻時的標準頻率為 500 kHz。 LTM8025 可在 200 kHz 至 2.4 MHz 的頻率範圍內運作，且可使用電阻以相似方式進行編程，其中一個端子接至 RT 引腳，另一端則接地。

圖 2： LM43603 方塊圖。

在輕負載下，PWM 控制的 CCM 調節效率會大幅降低。 DCM 可長時間中斷輸入的負載以提升效率，在這期間電感電流可降至零。 在此模式下，輸出電容有助於將漣波效應降至最低。

若採用 LM43603，當負載電流不到 CCM 中峰值對峰值電感電流漣波的一半時，轉換器會轉至 DCM。 在零電流時關閉低側 FET 可降低切換損耗。 在 DCM 模式下，切換頻率會降低。 若取樣輸出電壓低於容許值，轉換器會開啟高側 FET。

LM43603 和 LTM8025 等元件皆可在輸入與輸出端搭配絕大多數類型的電容提供穩定運作。 由於高頻操作的電容量需求通常低於 100 µF，且典型混合訊號電路的電壓介於 3 至 12 V_DC，因此通常會基於小型尺寸的優勢而選用陶瓷電容。 陶瓷電容尺寸小巧、堅固並具有超低 ESR。 不過，並非所有陶瓷電容皆適合。 X5R 與 X7R 能在溫度與施加電壓變化下穩定操作，相反地，Y5V 和 Z5U 的電容量則容易受到溫度與電壓影響。 在使用時，即使僅小幅度偏離標稱電容量，也會導致比預期更高的輸出電壓漣波。

圖 3：LTM8025 方塊圖。

陶瓷電容亦具備壓電性質。 在 DCM 或突衝模式下，切換頻率將取決於負載電流，並會在音訊頻率範圍內激發陶瓷電容，進而產生雜音。 由於在 DCM 情況下產生的電流較低，因此雜音通常亦偏低，不過若無法接受雜音音量，則使用高效能電解電容較為合適。 或者亦可使用陶瓷電容與低成本電解電容的並聯組合。

軟啟動功能是另一項重要考量。 舉例而言，LM43603 具有軟啟動控制引腳：SS/TRK。 使用此引腳時，在施加輸入電壓後，即會強制穩壓器隨時間緩慢提高輸出電壓。 若 SS/TRK 引腳維持浮動狀態，則 LM43603 會使用其本身的斜坡期間控制器，在短短 4 ms 內讓輸出電壓提高至完整輸出。

針對運用大量輸出電容量的應用，或是運用相對較高輸出電壓的系統，可在 SS/TRK 引腳與元件的類比接地參考引腳 (AGND) 之間連接外部電容，藉此延長啟動時間。 電容值會決定斜坡時間。 或者，軟啟動控制器可使用電阻分壓器組以及制訂所需斜坡曲線的外部電壓來源，追蹤外部斜坡訊號。

LTM8025 的軟啟動控制是透過接至 RUN/SS 引腳與接地的電容，以及穿過電阻的外部電壓來源連線所進行。 產生的 RC 時間常數會決定軟啟動時間。

圖 4：LM43603 軟啟動的外部斜坡訊號連線。

圖 5：產生 LTM8025 軟啟動斜坡的接線。

由於 IIoT 電源控制器必須安裝在小型空間內且可輕鬆整合工業設備，因此電磁相容性 (EMC) 也是重要考量。 確保控制切換模式穩壓器產生之任何電磁干擾 (EMI) 的關鍵在於，盡可能維持最小的 di/dt 迴路。 透過 LM43603 和 LTM8025 等元件的高度整合特性，即可輕鬆達到此目標。

圖 6：切換式降壓轉換器的關鍵 di/dt 迴路。

不過，安裝外接裝置時必須小心，尤其是安裝任何回授節點時。 外部電阻與旁路電容應盡可能採用短佈線。 若電阻的 PCB 佈線太長，會產生大量的 EMI。 屏蔽也相當重要，在 PCB 中採用額外接地層即可達到優異效果。

IIoT 導向工業控制器的設計人員只要透過 LM43603 和 LTM8025 等高度整合的穩壓器，即可確保提供穩定的 DC 電源，並且安心無虞地控制最終產品的 EMC。

圖 7：LM43603 的低 EMI 配置建議圖。