分离隔距（隔离分流）

对于工业应用来说，降低解决方案尺寸、组件成本和功率损耗变得越来越重要。用于可编程控制器(PLC) 的模拟I/O 模块就是满足此类要求的一个很好的例子。

工业4.0指出了深度自动化与智能通信相结合的趋势。因此，在过程工程、工业自动化和设备管理中，PLC需要配备更多的I/O端口。如果空间有限并且控制器无法容纳更多的基板区域，那么我们必须增加模块密度以支持更多的I/O 要求。优化电源设计显然有助于实现这些目标。

让我们看看模拟I/O 模块电源设计的电源要求。

模拟I/O 模块通常使用4-20mA 电流环路或+/-10V 信号。我们需要DAC/ADC进行转换，通常采用5V供电。为了保护设备，同时也为了确保所需的性能，需要隔离电源轨以抵消地面移动或噪声。

因此，模拟I/O 模块需要5V 电源轨和+/-12 至+/-15V 独立电源轨，用于电压信号传输或电流环路灌/源，与24V 电源轨隔离。图2 显示了一般实现。

图2：普通电源实施方案

电源及其设计还有优化的空间吗？

分析从哪里入手最好，变压器是最合适的。由于其有两个次级绕组，因此生产成本和占地面积较大。更重要的是，它的边高约为5毫米。节省的空间可以实现更小的开关柜或容纳更多的I/O 模块，同时还显着降低成本。理想情况下，有源模块应与无源端子一样薄。最终，开发板的侧面高度也需要降低。

让我们从这个想法开始。如果我们使用1:1 单次级绕组变压器，则可以在反激式转换器配置中使用边高仅为1.8mm 的成本优化组件。将LM5160 反激转换器输出设置为5V 就不再需要降压转换器。为了生成+/- 12V 至+/- 15V 分离轨输出，完全集成的TPS65130 分离轨转换器可实现进一步优化。该器件集成了一个用于正电压输出的升压转换器和一个用于负电压输出的反相降压-升压级。由于输出电压是单独严格控制的，因此这还有另一个积极的副作用：我们可以消除两个LDO。

从功率转换效率的角度来看，通过两个转换级分割电源轨是一个缺点。然而，5V 电源轨现已针对—— 进行了优化，并且在第一个设计中它需要两级。而且，该设计还去掉了两个LDO，每个LDO可以降低电压约2V。因此，消除了导致系统发热的LDO功率损耗。

图3 显示了新的解决方案。

图3：新电源实施方案

该解决方案仅需要两个有源器件，最大元件高度仅为1.8mm，因此扁平设计甚至可以轻松穿过门缝。开发板所需面积减少一半。它能够以最佳成本打造超薄模拟I/O模块，并且输出电压受到精确控制，电压纹波低至5mV。

小型隔离式模拟DC/DC 转换器参考设计(TIDA-00689) 涵盖了这一概念，其中包括系统描述、原理图、布局建议和物料清单。测试报告包括测试数据和热测量结果。

审稿编辑：郭婷