技术

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<strong>作者：Colin Duggan和Denis Labrecque，ADI公司</strong>

鉴于在性能、成本、功耗、尺寸、新功能和效率等方面宏大的提升目标，未来嵌入式系统的设计面临着复杂的挑战。不过，一种有望解决这些复杂问题的设计选项已开始崭露头角——即模拟元件与ARM®微控制器内核的智能集成。这种方案与传统模拟集成的区别在于，新方案具有超高的性能，还经过了多种优化，以解决具体的系统级问题。虽然每个市场对这些提升领域的优选次序都有着自己的认识，但同时满足多个因素的要求实为众望所归，可以通过集成多个分立式元件来实现。从逻辑上讲，组合多个器件可以实现这些嵌入式系统目标中的一大部分，但只是简单地把多个分立式元件与一枚处理器集成到一个封装之中，这并非答案所在；解决方案要复杂得多，需要智能集成。

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<strong>作者：Eric Gaalaas，ADI公司</strong>

通用串行总线(USB)是个人计算机(PC)通过电缆与外设实现通信的常用方法。某些应用中，需要隔离USB通信以满足安全要求，或中断接地环路。遗憾的是，隔离任务不易完成，因为USB电缆上有双向数据流。本文将讨论这个问题，并探讨实现易于使用的隔离式USB方案面临的其他挑战，最后对解决方案进行比较。一个理想的“透明”解决方案能将隔离对系统的影响降至最低，目前我们就可以提供这种解决方案。本文讨论的内容针对USB 2.0，支持三种数据速率： 1.5 Mbps(低速)、12 Mbps(全速)和480 Mbps(高速)。为简便起见，将详细探讨12 Mbps的情况，但示例中的很多原理同样适用于其他速度。

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<strong>作者：Ralph McCormick和Derrick Hartmann，ADI公司。</strong>

1788年，James Watt设计了离心“飞球”调速器——一个控制发动机速度的反馈阀门——从而大幅提高了蒸汽发动机的自我调节能力。Watt的创新提供了操作稳定性和安全性，实现了蒸汽发动机的日常使用。这是一种为机器提供自我调节能力，并最终稳定发动机的技术，推动了第一次工业革命中生产力的大幅增长。今天，工业4.0和智能制造“信息-物理系统”通过全新的工厂机器和系统自主校正反馈继续着这一革命性的变革。

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<strong>Brian Kennedy ADI公司应用工程师</strong>

<strong>简介</strong>

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<strong>作者：Conal Watterson博士，ADI公司高级应用工程师</strong>

控制器局域网(CAN)采用ISO 11898标准，广泛用于工业和汽车应用中。CAN协议(比如DeviceNet或CANOpen)依赖内置的差错校验和差分信号功能。电流隔离可进一步增强鲁棒性，提供对高压瞬变的抵抗能力，代价是更长的传播延迟。CAN节点的最佳配置则保证，即便存在隔离，也能具有最大数据速率和距离。

<strong>为什么传播延迟很重要</strong>

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<strong>Brian Kennedy</strong>

许多应用都采用隔离式半桥栅极驱动器来控制大量功率，从要求高功率密度和效率的隔离式DC-DC电源模块，到高隔离电压和长期可靠性至关重要的太阳能逆变器等等，不一而足。本文将详细阐述这些设计理念，以展现采用小型封装的隔离式半桥栅极驱动器IC在造就高性能方面的卓越能力。

采用光耦合器隔离的基本半桥驱动器（如图1所示）以极性相反的信号来驱动高端和低端N沟道MOSFET（或IGBT）的栅极，由此来控制输出功率。驱动器必须具备低输出阻抗以减少传导损耗，同时还须具有快速开关能力以减少开关损耗。出于精度和效率的考虑，高端和低端驱动器需要具备高度匹配的时序特性，以便减少在半桥的第一个开关关闭，第二个开关开启前的停滞时间。

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<strong>电路功能与优势</strong>

图1所示电路使用ADM3485E 收发器，是经过验证并测试的 电磁兼容性(EMC)解决方案，可为使用广泛的RS-485通信端口提供三重保护。每个解决方案都经过测试和特性表 征，确保收发器和保护电路元件之间的动态交互能够协同 工作，保护它们免遭静电放电(ESD)、电快速瞬变脉冲群 (EFT)和电涌的破坏——分别由IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4 和IEC 61000-4-5标准定义。本电路使用ADM3485E提供经过 验证的RS-485接口ESD、EFT和电涌(常见于恶劣工作环境) 保护。

<font color="#FF8000">作者：Dara O’Sullivan ADI公司系统应用工程师</font>

功率因数校正(PFC)对于工业电机驱动来说越来越重要，这在很大程度上是因为共用事业公司一端加强谐波含量监管所导致的；其他附带好处包括：效率、电压质量和导体额定值。与模拟器件相比，数字PFC控制器成本更高，且可能更复杂。但是，如果考虑到主电机控制处理器的功能，则数字PFC能为整体系统设计带来极大的附加价值。

本文强调数字PFC控制器在整体系统监控、保护和时序方面为工程师带来的系统级优势。该控制器在真实电机控制系统平台上的部署以图例和/或图形表示，并显示硬件以及软件框架，同时辅以实验验证。

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电流监控功能在电源管理、电磁阀控制和电机控制等许多应 由此可获得该系统的输入至输出传递函数：用中非常关键。在负载的高端监控电流，就可以实现精确的电流检测和诊断保护，防止对地(GND)短路。

AD8210 等集成器件可提供高电压接口，并能够在分流电阻上进行双向电流监控，从而简化高端电流监控。它具有高共模抑制(CMR)特性和出色的温度性能，可在应用中实现最佳精度。该器件放大经分流电阻流至负载的电流，并提供以地为参考、与负载电流成比例的输出电压。

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<strong>作者：Ryan Schnell，ADI公司应用工程师</strong>

为半桥配置的高端栅极供电起初似乎是一项棘手的任务，因为大部分系统都有较高的电平转换和驱动强度要求。本文论述让设计人员能够实现这一目标的可行解决方案。

<strong>简介</strong>

半桥拓扑广泛用于电源转换器和电机驱动器中。这在很大程度上是因为半桥可通过总线电压，为脉宽调制(PWM)信号提供高效同步控制。然而，在控制器和功率器件之间通常需要使用栅极驱动器，以获得更短的开关时间并出于安全性和/或功能性目的提供隔离。对于总线电压高于功率开关的栅极到源极电压最大限值的系统，必须采用不同于系统总线的电压驱动栅极。

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<font color="#FD8900">作者:Ian Beavers</font>

对于需要一系列同步模数转换器(ADC)的高速信号采样和 处理应用,解偏斜和转换器的延迟变化匹配是至关重要 的。围绕该特性展开的系统设计极为关键,因为从模拟采 样点到处理模块之间的任何延迟失配都会使性能下降。对 于交错式处理而言,样本对齐同样是必需的;在交错式处 理时,一个转换器样本后紧跟另一个样本,且时间仅为一 个时钟周期中的一小部分。

JESD204B第三代高速串行转换器接口的一个重要特性,是 其能够确立系统中每个转换器的确定性延迟。正确理解并 利用该特性,便可在单系统中针对多个ADC创建同步或交 错采样系统。

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<font color="#FD8900">作者：Aengus Murray 应用经理 ADI公司</font>

自动化精密制造推动了当今许多高科技设备的发展和广泛使用。时尚精美的手机仰赖复杂的金属加工工艺和精细表面处理能力来生产机械元件制造所需的芯片和模具。手机中微小但强大的电子器件的生产，则要依靠自动化IC晶圆处理和精密线焊设备。大型设备同样需要高精度和高质量表面处理。例如，现代喷气发动机依赖精细平衡和精密匹配的涡轮叶片来实现高燃油效率和安静工作。先进的电子控制和形状复杂的精密发动机部件可优化燃烧过程，提高汽车发动机的燃油效率。

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<font color="#FD8900">作者：Aengus Murray</font>

国际能源报告显示，2006年电子电机的能耗为全球电能消耗总量的46%，相当于6040 Mt CO2排放量1
。这导致人们要求电机驱动器制造商新增高级控制功能和工具，以便优化系统能效。在工厂生产系统中优化能效的新电机驱动器生态系统已得到了全球范围内的广泛认可。对于欧洲来说，得益于节能政策，工业电能消耗量呈现出每年1%的下降趋势2。

<font color="#FD8900">作者：Nicola O’Byrne ADI公司高级系统应用 工程师</font>

工业运动控制涵盖一系列应用，包括基于逆变器的风扇或泵控制、具有更为复杂的交流驱动控制的工厂自动化以及高级自动化应用(如具有高级伺服控制的机器人)。这些系统需要检测和反馈多个变量，例如电机绕组电流或电压、直流链路电流或电压、转子位置和速度。变量的选择和所需的测量精度取决于终端应用需求、系统架构、目标系统成本或系统复杂度。还有其他考虑因素，例如状态监控等增值特性。据报道，电机占全球总能耗的40%，国际法规越来越注重全体工业运动应用的系统效率(参见图1)。

<font color="#FD8900">作者：Stefan Hacker ADI公司系统专家</font>

围绕现代生产工厂的能源效率问题，目前有许多讨论，系统解决方案制造商不断推出新的概念来应对这个问题。其中一个概念涉及到提高自动化程度，这多少有点令人吃惊，但它考虑到了能源效率需求，意图通过提供更强大的互连网络来提高效率。

关于能源效率的要求已在欧盟标准和EuP (能源使用产品)等指令中写明。新法规已于2015年1月1日生效，到2017年1月将有更多措施出台，届时将会推出新的能效等级并将更小的动力装置纳入其中。目标是到2020年将能耗再降低20%。

<font color="#FD8900">作者：ADI公司Brendan Cronin、Robert Guyol、Mark Donegan</font>
<strong>BLDC电机趋势</strong>

<font color="#FD8900">作者：Aengus Murray 和Robert Zwicker ADI公司</font>

电机和电源控制逆变器设计人员都会遇到相同的问题，即如何将控制和用户接口电路与危险的功率线路电压隔离。隔离最主要的要求是方式功率线路电压损坏控制电路，更重要的是，保护用户受到危险电压伤害。系统必须符合相应国际标准规定的安全要求，例如涵盖电机驱动和太阳能逆变器的IEC 61800和IEC 62109。

<font color="#FD8900">作者：ADI公司，高级应用工程师Nicola O'Byrne</strong>

工业运动控制涵盖一系列应用，包括基于逆变器的风扇或泵控制、具有更为复杂的交流驱动控制的工厂自动化以及高级自动化应用(如具有高级伺服控制的机器人)。这些系统需要检测和反馈多个变量，例如电机绕组电流或电压、直流链路电流或电压、转子位置和速度。在诸如增值功能(如状态监控)等考虑因素中，终端应用需求、系统架构、目标系统成本或系统复杂度将决定变量的选择和所需的测量精度。据报道，电机占全球总能耗的40%，国际法规越来越注重整个工业运动应用的系统效率，因此，这些变量越来越重要，特别是电流和电压。

</strong>设计简介</strong>

此方案使用主要芯片为：<a href="http://www.analog.com/cn/adsp-cm408f">ADSP-CM408F</a&gt;

ADSP-CM40X 系列处理器芯片是 ADI公司最新推出的基于 ARM Cortex M4 内核的产品。该产品处理器主频高达 240Mhz，集成了高性能的 16bits ADC，谐波分析引擎（HAE）以及丰富的内存及外部接口资源，十分适合于中低压的继电保护产品及配电自动化终端、电机伺服驱动控制等应用。

<strong>设计简介</strong>

此方案使用主要芯片为：<a href="http://www.analog.com/cn/adsp-cm408f">ADSP-CM408F</a&gt;

针对电机控制系统，ADI公司能够提供涵盖信号链中所有重要 器件的完整解决方案，相关产品包括了模数/数模转换器、放大器、嵌入式处理器、iCoupler®数字隔离 器和电源管理器件。这些高性能的器件和增加系统集成度有助于实现更新型的拓扑结构设计，为客户实现系统的差异化设计带来价值。