ADP2450：電路斷路器應(yīng)用的高效電源管理IC

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)，尤其是在電路斷路器和CT供電應(yīng)用中。ADP2450作為一款專門為這些應(yīng)用設(shè)計(jì)的電源管理IC，集成了多種功能，為系統(tǒng)提供了緊湊、可靠的電源和信號調(diào)理解決方案。

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一、ADP2450概述

ADP2450集成了帶功率檢測的升壓分流控制器、高效降壓調(diào)節(jié)器、四個(gè)可編程增益放大器、一個(gè)低失調(diào)運(yùn)算放大器、一個(gè)快速模擬跳閘電路和一個(gè)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器，采用32引腳LFCSP或48引腳LQFP封裝。這種高集成度使得ADP2450非常適合尺寸受限、對可靠性要求高的系統(tǒng)。

二、關(guān)鍵特性與規(guī)格

（一）升壓分流控制器與功率檢測

• 輸入電壓范圍：4.5V至36V，能適應(yīng)較寬的輸入電壓變化。
• 功率檢測：可防止電路出現(xiàn)功率打嗝現(xiàn)象，功率檢測閾值可通過電阻編程設(shè)置。
• 反饋調(diào)節(jié)：FB1調(diào)節(jié)電壓典型值為1.2V，具有一定的遲滯特性，確保輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

（二）降壓調(diào)節(jié)器

• 輸入輸出特性：輸入電壓范圍4.5V至36V，輸出電壓可調(diào)至0.6V，也有3.3V和5V的固定輸出選項(xiàng)，連續(xù)輸出電流可達(dá)500mA。
• 開關(guān)頻率：固定開關(guān)頻率為1.2MHz，能提供低輸出紋波電壓，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 軟啟動(dòng)與復(fù)位功能：軟啟動(dòng)時(shí)間根據(jù)輸出類型有所不同，復(fù)位輸出可用于監(jiān)控輸出電壓，當(dāng)輸出電壓低于監(jiān)控閾值時(shí)，復(fù)位信號拉低，可用于復(fù)位微處理器。

（三）可編程增益放大器和模擬跳閘

• 增益可編程：四個(gè)低失調(diào)、低功耗的可編程增益放大器，通過GAIN0和GAIN1引腳可獲得15種不同的增益設(shè)置。
• 模擬跳閘功能：具有快速跳閘響應(yīng)，可設(shè)置高、低模擬跳閘閾值，支持半正弦和雙極正弦輸入信號應(yīng)用。

（四）運(yùn)算放大器

用于漏電電流檢測，是一款低失調(diào)放大器，能準(zhǔn)確檢測電路中的漏電情況。

（五）執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器

接收來自TRG引腳或模擬跳閘控制電路的輸入信號，為外部晶閘管提供柵極驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行器的控制。

（六）熱關(guān)斷保護(hù)

當(dāng)結(jié)溫超過150°C時(shí)，熱關(guān)斷電路會(huì)關(guān)閉大部分內(nèi)部模塊，同時(shí)將升壓驅(qū)動(dòng)器電壓拉高，具有15°C的遲滯特性，確保系統(tǒng)在高溫時(shí)的安全性。

三、工作原理

（一）升壓分流控制器

采用遲滯控制方案調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)FB1引腳的反饋電壓低于參考電壓時(shí)，F(xiàn)ET驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉外部FET，CT電流對輸出電容充電；當(dāng)輸出電壓上升，F(xiàn)B1引腳的反饋電壓高于上升閾值時(shí)，F(xiàn)ET驅(qū)動(dòng)器打開外部FET，將CT電流旁路到地。

（二）功率檢測

在啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)VPTH引腳的電壓低于VPTH上升閾值時(shí)，功率檢測FET導(dǎo)通，DET引腳拉低；當(dāng)VPTH引腳的電壓高于上升閾值時(shí)，功率檢測FET關(guān)閉，DET引腳開路。通過外部電阻可對功率檢測的電壓閾值和遲滯進(jìn)行編程設(shè)置。

（三）降壓調(diào)節(jié)器

采用電流模式控制方案，具有軟啟動(dòng)和補(bǔ)償電路。使用模擬電流斜坡電壓進(jìn)行逐周期電流限制保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)過流情況時(shí)，會(huì)進(jìn)入打嗝模式，嘗試重啟。

（四）可編程增益放大器

通過GAIN0和GAIN1引腳設(shè)置增益，AVDD引腳為放大器提供電壓，輸出電壓根據(jù)輸入電壓、增益和VCOM引腳電壓計(jì)算得出。

（五）模擬跳閘電路

監(jiān)控每個(gè)PGA的輸出，當(dāng)PGA輸出超過模擬跳閘閾值時(shí)，觸發(fā)模擬跳閘保護(hù)。跳閘閾值可通過外部電阻編程設(shè)置。

（六）執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器

接收模擬跳閘控制電路或TRG引腳的信號，為外部晶閘管提供柵極驅(qū)動(dòng)信號。在模擬跳閘保護(hù)觸發(fā)時(shí)，會(huì)輸出特定的脈沖信號，控制執(zhí)行器的動(dòng)作。

四、應(yīng)用信息

（一）外部元件選擇

• 升壓分流控制器輸出電容：需根據(jù)VOUT1設(shè)置和執(zhí)行器規(guī)格選擇合適的電容值，推薦使用聚合物、鉭或鋁電解電容，并并聯(lián)1μF至10μF的陶瓷電容以降低ESR。
• 橋式整流器：平均正向整流電流需高于CT二次側(cè)的均方根電流，最大直流阻斷電壓需高于升壓分流控制器的輸出電壓，推薦使用低正向電壓的整流二極管。
• 檢測電阻：電阻值需根據(jù)系統(tǒng)額定電流、CT變比、PGA增益設(shè)置和PGA輸出低電壓確定，同時(shí)要確保電阻功率能承受模擬跳閘時(shí)的大電流。
• 升壓分流控制器外部MOSFET：建議選擇擊穿電壓至少為升壓分流控制器輸出電壓兩倍、連續(xù)漏極電流大于CT二次側(cè)均方根電流的MOSFET，且柵源電壓要大于8V，柵極閾值電壓低于8V。
• 升壓分流二極管：選擇肖特基二極管，其峰值電流額定值要大于最大CT二次側(cè)電流，峰值反向電壓要大于升壓分流控制器的輸出電壓，且正向電壓要低。
• 降壓調(diào)節(jié)器輸入電容：推薦使用10μF陶瓷電容，靠近VIN引腳放置，其電壓額定值要大于最大輸入電壓，均方根電流額定值要滿足計(jì)算要求。
• 電感：電感值由工作頻率、輸入電壓、輸出電壓和電感紋波電流決定，選擇時(shí)需在瞬態(tài)響應(yīng)和效率之間進(jìn)行平衡，推薦使用屏蔽鐵氧體磁芯材料。
• 降壓調(diào)節(jié)器輸出電容：根據(jù)輸出紋波要求選擇電容值和ESR，電壓額定值要大于輸出電壓，均方根電流額定值要滿足計(jì)算要求。

（二）輸出電壓設(shè)置

升壓分流控制器和降壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓均通過外部電阻分壓器設(shè)置。在設(shè)置時(shí)，需注意電阻值的計(jì)算和FB1、FB2偏置電流對輸出電壓精度的影響。

（三）設(shè)計(jì)示例

以典型的MCCB設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹了外部元件的選擇過程，包括升壓分流輸出電壓設(shè)置、輸出電容設(shè)置、MOSFET設(shè)置、二極管設(shè)置、降壓調(diào)節(jié)器輸出電壓設(shè)置、電感設(shè)置、輸出電容設(shè)置、VPTH電阻分壓器設(shè)置、假負(fù)載電阻設(shè)置、PGA增益設(shè)置、檢測電阻設(shè)置、模擬跳閘閾值設(shè)置和執(zhí)行器MOSFET設(shè)置等。

五、電路板布局建議

在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，電路板布局對系統(tǒng)性能至關(guān)重要。對于ADP2450，以下布局規(guī)則有助于減少噪聲和干擾：

• 接地平面：使用單獨(dú)的模擬接地平面和功率接地平面，將敏感模擬電路和功率元件的接地參考分別連接到相應(yīng)的接地平面，并通過內(nèi)部接地平面將它們連接在一起。同時(shí)，將ADP2450的暴露焊盤連接到大型外部銅接地平面，以提高散熱能力和降低結(jié)溫。
• 開關(guān)節(jié)點(diǎn)：開關(guān)節(jié)點(diǎn)是電路中噪聲最大的位置，應(yīng)盡量減小其面積，使用寬短的走線或銅平面，確保高電流環(huán)路的走線盡可能短而寬。
• 反饋路徑：FB1和FB2的反饋?zhàn)呔€對噪聲非常敏感，應(yīng)將反饋電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)靠近FBx引腳放置，減少走線長度，并避免靠近高電流走線和開關(guān)節(jié)點(diǎn)。
• 功率走線：使用內(nèi)部功率平面連接升壓分流控制器和降壓調(diào)節(jié)器的輸出，確保功率走線短而寬，以減少高電流情況下的電壓降。
• 信號路徑：將放大器的輸入輸出、公共電壓輸入、TRG走線和VTRP信號等信號路徑遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)和高電流路徑，避免噪聲拾取。
• 柵極驅(qū)動(dòng)路徑：柵極驅(qū)動(dòng)走線應(yīng)盡可能短而直接，避免使用過孔。如有需要，可使用兩個(gè)較大的過孔并聯(lián)。必要時(shí)可在DRV和GATE引腳放置2Ω至10Ω的小電阻，但要注意增加的柵極電阻會(huì)增加MOSFET的開關(guān)上升和下降時(shí)間以及開關(guān)功率損耗。

六、典型應(yīng)用電路

ADP2450提供了多種典型應(yīng)用電路，如單線圈、信號和功率共享同一CT的應(yīng)用電路，以及雙線圈、CT提供功率和Rogowski線圈提供信號的應(yīng)用電路。這些電路展示了ADP2450在不同應(yīng)用場景下的使用方法，為工程師的設(shè)計(jì)提供了參考。

七、工廠可編程選項(xiàng)

ADP2450的降壓調(diào)節(jié)器輸出電壓、復(fù)位上升延遲時(shí)間和模擬跳閘消隱時(shí)間可以預(yù)設(shè)為表中列出的選項(xiàng)之一。如果需要選擇非默認(rèn)選項(xiàng)，可以聯(lián)系當(dāng)?shù)氐?a target="_blank">Analog Devices銷售或分銷代表。

八、總結(jié)

ADP2450作為一款功能強(qiáng)大的電源管理IC，在電路斷路器和CT供電應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢。其高集成度、豐富的功能和可配置性為工程師提供了很大的設(shè)計(jì)靈活性，同時(shí)通過合理的外部元件選擇和電路板布局，可以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，仔細(xì)選擇和調(diào)整各個(gè)參數(shù)，以達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果。大家在使用ADP2450的過程中，有沒有遇到過一些特殊的問題或者有什么獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。