ADP2450：断路器应用的电源管理IC解决方案

在电子工程师的日常工作中，为断路器和CT供电应用选择合适的电源管理IC至关重要。今天就来详细介绍一款出色的电源管理IC——ADP2450，它在断路器和CT供电应用中表现卓越，能为系统提供紧凑、可靠的电源和信号调理解决方案。

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1. ADP2450概述

ADP2450是一款专为断路器和CT供电应用设计的电源管理IC。它集成了带功率检测的升压分流控制器、高效降压调节器、四个可编程增益放大器、一个低失调运算放大器、一个快速模拟脱扣电路和一个执行器驱动器，采用32引脚LFCSP或48引脚LQFP封装。这种高度集成的设计，为尺寸受限、对可靠性要求高的系统提供了紧凑而强大的解决方案。

1.1 主要特性

• 升压分流控制器：输出电压可调范围为4.5V至36V，集成升压分流驱动器，可编程功率检测阈值。
• 降压调节器：输入电压范围4.5V至36V，连续输出电流可达500mA，输出电压可调至0.6V，有3.3V和5V固定输出选项，1.2MHz固定开关频率。
• 其他特性：具备电压监控和开漏复位输出、4个可编程增益放大器、低功耗、可编程增益和输出直流共模电压、用于漏电和接地故障电流检测的低失调运算放大器、带可编程脱扣阈值的模拟脱扣电路以及执行器驱动器输出。

2. 工作原理

2.1 升压分流控制器

ADP2450的升压分流控制器采用迟滞控制方案来调节输出电压。当FB1引脚的反馈电压低于参考电压（通常为1.2V）时，FET驱动器关闭外部FET，CT的电流为输出电容充电，将能量存储在电容中。当输出电压上升，FB1引脚的反馈电压高于上升阈值（通常为1.219V）时，FET驱动器开启外部FET，将CT电流通过外部FET旁路到地。

2.2 功率检测

ADP2450集成了输入功率检测功能。启动时，当VPTH引脚的电压低于VPTH上升阈值（通常为1.22V），功率检测FET开启，DET引脚被拉低到地。当VPTH引脚的电压上升到高于VPTH上升阈值时，功率检测FET关闭，DET引脚开路。当VPTH引脚的电压下降到低于VPTH下降阈值（通常为1.09V）时，功率检测FET再次开启，DET引脚被拉低到地。功率检测的电压阈值和迟滞可以通过VPTH引脚上的外部电阻进行编程。

2.3 降压调节器

降压调节器采用电流模式控制方案，以确保稳定性和瞬态响应。它工作在1.2MHz的固定开关频率下，集成了软启动和补偿电路，减少了外部组件，使用起来更加方便。软启动时间对于固定输出版本为400μs，对于可调输出版本为1.6ms。此外，它还采用了模拟电流斜坡电压进行逐周期电流限制保护，以防止电流失控。

2.4 可编程增益放大器

ADP2450集成了四个低失调、低功耗的可编程增益放大器（PGA1、PGA2、PGA3和PGA4）。这些放大器的增益可以通过GAIN0和GAIN1引脚进行编程，通过不同的组合可以获得总共15种增益。

2.5 模拟脱扣保护

模拟脱扣电路用于断路器应用中的快速保护。它监控每个PGA的输出，当任何一个PGA输出超过模拟脱扣阈值（VTRP或VTRPL）持续一定的消隐时间（tTRP）时，模拟脱扣保护将被触发。模拟脱扣阈值可以通过外部电阻进行编程。

2.6 执行器驱动器

执行器驱动器接收来自TRG引脚或模拟脱扣控制电路输出的输入信号，并通过GATE引脚为外部晶闸管提供栅极驱动电压。当模拟脱扣保护被触发时，模拟脱扣控制电路输出一个10ms高、6ms低的脉冲信号，该信号与TRG引脚上的信号进行或逻辑运算后输入到执行器驱动器电路，为外部晶闸管或MOSFET提供栅极驱动信号。

2.7 热关断

当ADP2450的结温超过150°C时，热关断电路将关闭大部分内部模块，但将升压驱动器电压（DRV引脚）拉高。包含15°C的迟滞，以确保在芯片温度下降到135°C以下之前，ADP2450不会从热关断状态恢复。恢复后，将在正常运行之前启动软启动和上电序列。

3. 应用信息

3.1 升压分流控制器输出电容

升压分流控制器的输出电容用于存储来自CT的能量，并为降压调节器提供输入电压以及为执行器供电。电容值应足够大，以确保在模拟脱扣发生时能够提供足够的功率来触发执行器，并防止Vout1电压下降。推荐使用聚合物、钽和铝电解电容器，并并联一个1μF至10μF的陶瓷电容器，以降低总有效串联电阻（ESR），从而减少输出电压纹波。

3.2 桥式整流器

桥式整流器将CT二次侧的正弦电流转换为半正弦电流，为ADP2450供电。桥式整流二极管的平均正向整流电流（IF）必须高于CT二次侧在正常运行时的均方根电流，最大直流阻断电压（VDC）必须高于ADP2450的升压分流控制器输出电压（VOUT1），并且峰值正向浪涌电流（IFSM）必须能够处理CT二次侧在故障发生时的峰值电流。推荐使用具有低正向电压的桥式整流二极管，以减少功率损耗。

3.3 感测电阻选择

在典型的MCCB应用中，感测电阻连接在桥式整流器的负输出和地之间，将半正弦电流信号转换为半正弦电压信号，作为PGA的输入进行信号协调。电阻值取决于系统额定电流（IN）、电流互感器的匝数比、PGA增益设置和PGA输出低电压。选择合适的电阻值需要在信号采样和功率损耗之间进行权衡。

3.4 外部MOSFET选择

对于升压分流控制器，需要一个N沟道外部MOSFET来控制CT电流。选择MOSFET时，其击穿电压（VDSS）应至少是升压分流控制器输出电压（VOUT1）的两倍，连续漏极电流（ID）应大于CT二次侧在模拟脱扣发生时的均方根电流，栅源电压（VGS）应大于8V，栅极阈值电压（VGS_TH）应低于8V。

3.5 升压分流二极管选择

升压分流控制器需要一个外部肖特基整流器，当外部升压分流MOSFET关闭时，将CT电流传导到升压分流电路的输出电容。肖特基二极管的峰值电流额定值必须大于最大CT二次侧电流，峰值反向电压必须大于升压分流控制器的输出电压，并且应选择具有低正向电压（VF）的肖特基二极管，以实现最佳效率。

3.6 降压调节器输入电容

降压调节器的输入电容用于减少VIN上开关电流引起的输入电压纹波。应将输入电容尽可能靠近VIN引脚放置，推荐使用10μF的陶瓷电容器。由输入电容、高端N-MOSFET和低端N-MOSFET组成的环路应尽可能小。输入电容的电压额定值必须大于最大输入电压，均方根电流额定值必须大于根据公式计算的值。

3.7 电感选择

降压调节器的电感值由工作频率、输入电压、输出电压和电感纹波电流决定。较小的电感值可以实现更快的瞬态响应，但会因较大的电感纹波电流而降低效率；较大的电感值可以减少纹波电流，提高效率，但会导致瞬态响应变慢。通常将电感纹波电流（ΔIL）设置为最大负载电流的三分之一，并根据公式计算电感值。电感的饱和电流必须大于峰值电感电流，推荐使用屏蔽铁氧体磁芯材料，以降低磁芯损耗和电磁干扰（EMI）。

3.8 降压调节器输出电容

输出电容的选择会影响降压调节器的输出纹波电压。输出纹波由ESR和电容值决定，可以根据公式选择满足输出纹波要求的电容。所选输出电容的电压额定值必须大于输出电压，均方根电流额定值必须大于根据公式计算的值。

3.9 输出电压设置

升压分流控制器和降压调节器的输出电压都可以通过外部电阻分压器进行设置。对于升压分流控制器，输出电压计算公式为(V{OUT 1}=1.2 times(1+frac{R{TOP 1}}{R{BOT 1}}))；对于降压调节器，可调输出电压计算公式为(V{OUT 2}=0.6 times(1+frac{R{TOP2 }}{R{BOT 2}}))，固定输出电压则将FB2直接连接到Vout2。

4. 设计示例

以一个典型的MCCB设计为例，介绍了选择外部组件的步骤。根据系统规格，包括升压分流控制器输出电压、系统启用和禁用阈值电压、最小系统消耗电流、降压调节器输出电压和电流等，详细计算了各个组件的参数，如升压分流输出电压设置、输出电容设置、MOSFET设置、二极管设置、降压调节器输出电压设置、电感设置、输出电容设置、VPTH电阻分压器设置、假负载电阻设置、PGA增益设置、感测电阻设置、模拟脱扣阈值设置和执行器MOSFET设置等。

5. 电路板布局建议

在设计ADP2450的PCB布局时，需要注意以下几点：

• 接地平面：使用单独的模拟接地平面和电源接地平面，将敏感模拟电路的接地参考连接到模拟接地，将功率组件的接地参考连接到电源接地，并使用内部接地平面将两者连接起来。同时，将ADP2450的暴露焊盘连接到大型外部铜接地平面，以提高散热能力和降低结温。
• 开关节点：开关节点是开关电源电路中噪声最大的位置，应确保其宽度足够宽，以防止电阻性电压降。同时，应尽量减小每个开关节点的总面积，以减少电容耦合噪声的产生。
• 反馈路径：FB1和FB2的反馈迹线对噪声非常敏感，应将反馈电阻分压器网络尽可能靠近FBx引脚放置，以防止噪声拾取。
• 功率迹线：使用内部功率平面进行功率迹线连接，并保持这些功率迹线尽可能短而宽，以减少高电流情况下的电压降。
• 信号路径：将所有放大器的输入和输出、共模电压输入、TRG迹线和VTRP信号等信号路径远离开关节点和高电流路径，以避免噪声拾取。
• 栅极驱动器路径：栅极驱动迹线应尽可能短而直接，避免使用过孔。如果需要使用过孔，建议使用两个相对较大的过孔并联，以降低峰值电流密度和每个过孔中的电流。

6. 工厂可编程选项

ADP2450的降压调节器输出电压、复位上升延迟时间（tRST_DELAY_R）和模拟脱扣消隐时间（tTRP）可以预设为表中列出的选项之一。如果需要订购具有非默认选项的设备，可以联系当地的Analog Devices销售或分销代表。

7. 总结

ADP2450是一款功能强大、高度集成的电源管理IC，适用于断路器和CT供电应用。它提供了多种特性和功能，能够满足不同系统的需求。在设计过程中，需要根据具体的应用场景和系统要求，合理选择外部组件，并注意电路板布局，以确保系统的性能和可靠性。你在使用ADP2450的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。