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摘要：数字化传感器作为传感器的一个重要分支，产品种类丰富，拥有角度传感器、长度传感器和速度传感器等。如今在各个工业控制领域中都有广泛的应用。由于数字化传感器还包含了控制和总线功能，因此其内部隔离电源的稳定性就显得尤其重要，电源的性能将直接决定传感器的可靠性。本文介绍了数字化传感器产品对电源部分的特殊要求，给出了以差分电感和集成电路LM2594为基础的传感器内部隔离电源设计方案，此方案测试结果良好，证明了其具有较好的可行性。
关键词：数字化传感器；隔离电源；LM2594
1 设计需求
作为传感器产品的一个重要分支，数字化传感器可将机械参数或温度等信息转换为数字信号输出。其与数字处理技术和计算机技术相结合，可实现快速、及时、准确的检测与控制。因此，在诸多工业领域得到广泛的应用。随着工厂自动化和办公自动化水平的提高，数字化传感器也有了突飞猛进的发展，并且逐步向智能化、集成化、高精度、高可靠性、小型化等方向发展。高集成化和智能化要求，使得当前数字化传感器大多包含了智能控制以及总线接口部分，因此对其内部电源也提出了更高的要求。作为数字化传感器产品设计的一个重要组成部分，一个稳定可靠的内部电源将给后级电路的正常工作带来保证。而如果电源不稳定将直接影响后级的检测电路，进而影响传感器的多项技术指标。
对于当前的数字化传感器来说，由于大多包括总线功能，所以为保证总线部分可以稳定工作，需要使用隔离电源为其供电，但是常规的隔离电源芯片体积大，在工业传感器中不适合使用。所以需要一种兼顾隔离电源和空间尺寸的设计方案。小型化的发展。也要求隔离电源需要做到效率高、发热少、体积小。
由于工业现场的电源品种繁多，+10V、+12V、+15V、+24V电源都有广泛的应用，为了使传感器在各种工业场合都能够正常使用。这就要求传感器要有较宽供电电压范围，可以满足工业现场多种电源电压的输入。不同地区不同工业领域的工作现场温度差别较大，北方的户外环境经常在0℃以下，而热工自动化领域要求传感器耐高温。所以这要求内部电源的工作温度范围广。
所以综上所示，对于某数字化传感器内部隔离电源需要达到以下要求：
（1）输出两路隔离+5V电源，隔离电压2KV；
（2）输出电压精度±6%；
（3）输出电压纹波小于200mV；
（4）输入电压范围：+10V到+30V；
（5）工作温度范围：-20℃到+85℃；
（6）小型封装，占用空间小。
3 方案选择
方案选用的是NS公司的集成芯片LM2594-5.0作为电压调节器，输出一路+5V电源，使用差分电感的电流特性得到另一路+5V的隔离电源输出。
LM2594-5.0开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，同时能够输出0.5A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。其封装形式为标准的SO-8表贴封装，管脚定义见图1。
图1 LM2594-5.0管脚定义
LM2594-5.0的各管脚功能如下：
FB：此管脚反馈端。此管脚将输出端的电压反馈到闭环反馈回路。
/ON /OFF：此管脚控制LM2594-5.0的打开和断开。
GND：此管脚为接地端。
VIN：此管脚为电源正输入端。
OUTPUT：此管脚为电源输出端。
此器件内部集成有频率补偿和固定频率发生器。开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。其在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范圍内，待机电流仅80μA。同时其可实现外部断电，具有一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路。
LM2594-5.0的运行条件和极限条件见表1【1】。
表1 LM2594-5.0的电气性能
运行条件
供电电压 4.5V 到 40V
温度范围 -40°C到+125°C
输出电压 4.75V到5.25V
转换效率 82%
极限条件
大供电电压 45V
/ON /OFF 管脚输入电压 -0.3≤V≤+25V
反馈脚电压 -0.3≤V≤+25V
功率消耗 内部限定
输出电压到地（稳态） -1V
储存温度 -65°C 到 +150°C
ESD易感性（人体模式） 2KV
由于LM2594-5.0工作在150kHz的开关频率，可以使其比低频率的稳压器件尺寸更小，还可以使用更小规格的滤波元件，所以能够满足小空间的设计需要。LM2594-5.0具有较高的转换效率，这使得印制板上的铜线通常只有散热需要，这样极大的简化了开关电源设计。
综上，此方案可达到以下指标及要求：
（1）两路隔离+5V输出，隔离电压2KV；
（2）输出电压精度±4%；
（3）输出电压纹波小于200mV；
（4）输入电压范围：+4.5V到+40V；
（5）工作温度范围：-40°C到 +125°C。
（6）8脚SO-8表贴封装，外围器件少，8*8电感封装；
4 电路设计
此电路将外部的输入电源转换成供后级控制电路使用的+5V电源。使用差分电感，使两路通道的电源通过续流和滤波，稳压成双路隔离+5V电源，隔离效果2KV。设计此电路处于连续型的工作模式。电源电路如图2所示。 图2 电源电路
4.1 输入电容
工业现场的电源会夹杂着各种频率的杂波干扰，为了防止这些杂波带来的影响，以及在输入端出现大的瞬态电压，所以在LM2594-5.0前级加两个电容C1、C2用于滤除杂波干扰和作为旁路电容。此电容选择低ESR参数电容，耐压值需达到1.5倍的输入电压，由于输入电压范围是+10V～+30V，所以选择电容耐压值为+50V。本设计要求负载电流为0.5A，所以输入电容的电流均方根至少为0.25A，选择大尺寸，高纹波电流的电容。
4.2 二极管
为了保证LM2594-5.0稳压器工作安全、可靠，在 LM2594-5.0稳压器输入部分增加一个瞬态拟制二极管V1作为电源的防静电保护措施。设计电源处于连续工作模式，所以使用吸纳二极管V2来为电感电流提供通路，使其尽可能靠近LM2594-5.0。因为此处吸纳二极管必须是快恢复、正向压降低，所以选用肖特基二极管。为保证隔离电源的稳定性，使用二极管V3整形稳压。
4.3 电感
依据连续工作模式，输入电压最大+30V，输出负载最大0.5A。通过图3查表选择适合的电感。
图3 配置电感表【1】
4.4 输出电容
输出电容是用来对输出滤波以及提供电源环路的稳定性。两路电源分别使用输出电容C3、C4。考虑到输出电压的纹波，在此选用低ESR参数的电容，但是不能选择ESR太小的电容，以免造成反馈环路的不稳定。
5 PCB设计
在LM2594-5.0的PCB設计中要特别注意器件的布局和地线绘制。输入、输出电容分别放置在LM2594-5.0的靠近其管脚一侧，同时电容的GND端靠近，进而可以绘制一整块地平面。电感L1放置在LM2594-5.0的另一侧，跨接在DC输出端和GND上。这样输入、输出端的走线清晰明，避免交叉走线的串扰，同时又最大限度的保证了地平面的完整。
6 测试验证
使用可调电压源给此电路供电，从+10V至+30V的范围内调节测试电压值，对电路进行带老炼试验、动态试验、上电试验。老炼波形见图4～图7。
图4 通道A输出电压
图5 通道A纹波
图6 通道B输出电压
图7 通道B纹波
试验测试结果如下：
（1） A路输出电压为+4.8V～+5.3V，输出精度6%；
（2） B路输出电压为+4.7V～+5.3V，输出精度6%；
（3） A路输出纹波为100mV，B路输出纹波为150mV。
测试结果达到设计要求。
7 结论
内部隔离电源是数字化传感器的重要组成部分，其性能好坏决定了传感器的品质。本设计使用差分电感、集成电路LM2594-5.0的电源方案。经过测试以及试验验证，本设计电气完全满足需求，输出电压稳定，纹波小，转换效率高。同时电源电路体积仅为DC/DC转换加隔离电源芯片方案的40%左右，满足了小型化的要求，是数字化传感器内部电源设计的一个很好的解决方案。
参考文献（References）
[1] www.national.com
作者简介：徐磊（1987-），研究方向为轴角转换、智能控制领域。
通信地址：江苏省连云港市新浦区圣湖路18号 连云港杰瑞电子
手机：15161306612
关键词：数字化传感器；隔离电源；LM2594
1 设计需求
作为传感器产品的一个重要分支，数字化传感器可将机械参数或温度等信息转换为数字信号输出。其与数字处理技术和计算机技术相结合，可实现快速、及时、准确的检测与控制。因此，在诸多工业领域得到广泛的应用。随着工厂自动化和办公自动化水平的提高，数字化传感器也有了突飞猛进的发展，并且逐步向智能化、集成化、高精度、高可靠性、小型化等方向发展。高集成化和智能化要求，使得当前数字化传感器大多包含了智能控制以及总线接口部分，因此对其内部电源也提出了更高的要求。作为数字化传感器产品设计的一个重要组成部分，一个稳定可靠的内部电源将给后级电路的正常工作带来保证。而如果电源不稳定将直接影响后级的检测电路，进而影响传感器的多项技术指标。
对于当前的数字化传感器来说，由于大多包括总线功能，所以为保证总线部分可以稳定工作，需要使用隔离电源为其供电，但是常规的隔离电源芯片体积大，在工业传感器中不适合使用。所以需要一种兼顾隔离电源和空间尺寸的设计方案。小型化的发展。也要求隔离电源需要做到效率高、发热少、体积小。
由于工业现场的电源品种繁多，+10V、+12V、+15V、+24V电源都有广泛的应用，为了使传感器在各种工业场合都能够正常使用。这就要求传感器要有较宽供电电压范围，可以满足工业现场多种电源电压的输入。不同地区不同工业领域的工作现场温度差别较大，北方的户外环境经常在0℃以下，而热工自动化领域要求传感器耐高温。所以这要求内部电源的工作温度范围广。
所以综上所示，对于某数字化传感器内部隔离电源需要达到以下要求：
（1）输出两路隔离+5V电源，隔离电压2KV；
（2）输出电压精度±6%；
（3）输出电压纹波小于200mV；
（4）输入电压范围：+10V到+30V；
（5）工作温度范围：-20℃到+85℃；
（6）小型封装，占用空间小。
3 方案选择
方案选用的是NS公司的集成芯片LM2594-5.0作为电压调节器，输出一路+5V电源，使用差分电感的电流特性得到另一路+5V的隔离电源输出。
LM2594-5.0开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，同时能够输出0.5A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。其封装形式为标准的SO-8表贴封装，管脚定义见图1。
图1 LM2594-5.0管脚定义
LM2594-5.0的各管脚功能如下：
FB：此管脚反馈端。此管脚将输出端的电压反馈到闭环反馈回路。
/ON /OFF：此管脚控制LM2594-5.0的打开和断开。
GND：此管脚为接地端。
VIN：此管脚为电源正输入端。
OUTPUT：此管脚为电源输出端。
此器件内部集成有频率补偿和固定频率发生器。开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。其在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范圍内，待机电流仅80μA。同时其可实现外部断电，具有一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路。
LM2594-5.0的运行条件和极限条件见表1【1】。
表1 LM2594-5.0的电气性能
运行条件
供电电压 4.5V 到 40V
温度范围 -40°C到+125°C
输出电压 4.75V到5.25V
转换效率 82%
极限条件
大供电电压 45V
/ON /OFF 管脚输入电压 -0.3≤V≤+25V
反馈脚电压 -0.3≤V≤+25V
功率消耗 内部限定
输出电压到地（稳态） -1V
储存温度 -65°C 到 +150°C
ESD易感性（人体模式） 2KV
由于LM2594-5.0工作在150kHz的开关频率，可以使其比低频率的稳压器件尺寸更小，还可以使用更小规格的滤波元件，所以能够满足小空间的设计需要。LM2594-5.0具有较高的转换效率，这使得印制板上的铜线通常只有散热需要，这样极大的简化了开关电源设计。
综上，此方案可达到以下指标及要求：
（1）两路隔离+5V输出，隔离电压2KV；
（2）输出电压精度±4%；
（3）输出电压纹波小于200mV；
（4）输入电压范围：+4.5V到+40V；
（5）工作温度范围：-40°C到 +125°C。
（6）8脚SO-8表贴封装，外围器件少，8*8电感封装；
4 电路设计
此电路将外部的输入电源转换成供后级控制电路使用的+5V电源。使用差分电感，使两路通道的电源通过续流和滤波，稳压成双路隔离+5V电源，隔离效果2KV。设计此电路处于连续型的工作模式。电源电路如图2所示。 图2 电源电路
4.1 输入电容
工业现场的电源会夹杂着各种频率的杂波干扰，为了防止这些杂波带来的影响，以及在输入端出现大的瞬态电压，所以在LM2594-5.0前级加两个电容C1、C2用于滤除杂波干扰和作为旁路电容。此电容选择低ESR参数电容，耐压值需达到1.5倍的输入电压，由于输入电压范围是+10V～+30V，所以选择电容耐压值为+50V。本设计要求负载电流为0.5A，所以输入电容的电流均方根至少为0.25A，选择大尺寸，高纹波电流的电容。
4.2 二极管
为了保证LM2594-5.0稳压器工作安全、可靠，在 LM2594-5.0稳压器输入部分增加一个瞬态拟制二极管V1作为电源的防静电保护措施。设计电源处于连续工作模式，所以使用吸纳二极管V2来为电感电流提供通路，使其尽可能靠近LM2594-5.0。因为此处吸纳二极管必须是快恢复、正向压降低，所以选用肖特基二极管。为保证隔离电源的稳定性，使用二极管V3整形稳压。
4.3 电感
依据连续工作模式，输入电压最大+30V，输出负载最大0.5A。通过图3查表选择适合的电感。
图3 配置电感表【1】
4.4 输出电容
输出电容是用来对输出滤波以及提供电源环路的稳定性。两路电源分别使用输出电容C3、C4。考虑到输出电压的纹波，在此选用低ESR参数的电容，但是不能选择ESR太小的电容，以免造成反馈环路的不稳定。
5 PCB设计
在LM2594-5.0的PCB設计中要特别注意器件的布局和地线绘制。输入、输出电容分别放置在LM2594-5.0的靠近其管脚一侧，同时电容的GND端靠近，进而可以绘制一整块地平面。电感L1放置在LM2594-5.0的另一侧，跨接在DC输出端和GND上。这样输入、输出端的走线清晰明，避免交叉走线的串扰，同时又最大限度的保证了地平面的完整。
6 测试验证
使用可调电压源给此电路供电，从+10V至+30V的范围内调节测试电压值，对电路进行带老炼试验、动态试验、上电试验。老炼波形见图4～图7。
图4 通道A输出电压
图5 通道A纹波
图6 通道B输出电压
图7 通道B纹波
试验测试结果如下：
（1） A路输出电压为+4.8V～+5.3V，输出精度6%；
（2） B路输出电压为+4.7V～+5.3V，输出精度6%；
（3） A路输出纹波为100mV，B路输出纹波为150mV。
测试结果达到设计要求。
7 结论
内部隔离电源是数字化传感器的重要组成部分，其性能好坏决定了传感器的品质。本设计使用差分电感、集成电路LM2594-5.0的电源方案。经过测试以及试验验证，本设计电气完全满足需求，输出电压稳定，纹波小，转换效率高。同时电源电路体积仅为DC/DC转换加隔离电源芯片方案的40%左右，满足了小型化的要求，是数字化传感器内部电源设计的一个很好的解决方案。
参考文献（References）
[1] www.national.com
作者简介：徐磊（1987-），研究方向为轴角转换、智能控制领域。
通信地址：江苏省连云港市新浦区圣湖路18号 连云港杰瑞电子
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