纳芯微NSOPA240x系列功率放大器应用介绍-Ameya360 electronic components purchasing network

纳芯微NSOPA240x系列功率放大器应用介绍

Release time：2024-09-24

author：AMEYA360

source：纳芯微

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　　摘要

　　旋转变压器因其高可靠性，高精度的特性，被广泛用于电机控制速度和位置的检测，其中包括在汽车和工业领域中的混合动力电动汽车 (HEV) 牵引逆变器，电动汽车 (EV)，电动动力转向，电机驱动和伺服机构应用。

　　本应用笔记介绍了纳芯微为旋转变压器驱动所设计的功率放大器 NSOPA240x系列(即NSOPA2401/2)的特性和典型设计要点。NSOPA2401/2 将单 / 双通道的功率放大器、过温关断，限流保护功能集成在单芯片上，降低了设计复杂性和系统成本，提高了可靠性和性能。

　　01、旋转变压器和驱动运放简介

　　旋转变压器可用来精确测量角度位置和转速，部署在工业电机控制、伺服器、机器人、电动和混动汽车等的动力系统单元中。旋转变压器在这些应用中可以长期承受严苛条件的考验，是恶劣环境下的完美选择。旋转变压器有三个绕组，包括有一个初级绕组、两个正交分布的次级绕组，共三组线圈，对外共有 6 条引线。其中，激励线圈接受输入的正弦型激励电流，而正交的两个感应线圈，依据旋变的转子、定子之间的相互位置关系，调制出具有 sin 正弦和 cos 余弦包络的检测信号。

　　当激励信号是 sinωt，转子与定子间的角度为θ，则正弦信号为sinωt×sinθ，而余弦信号则为 sinωt×cosθ。根据 sin、cos 信号和原始的激励信号，通过必要的检测和比较电路即可高分辨率地检测出转子位置。

纳芯微NSOPA240x系列功率放大器应用介绍

　　图1. 旋转变压器关键参数

　　根据旋转变压器的特性，驱动运放需要的特性：

　　• 旋转变压器的励磁原边线圈通常具有小于 100Ω的较低 DCR ( 直流电阻 )，因此需要有最高可至 200mA的较强电流输出能力才可以驱动线圈。

　　• 为了保证高精度以及高线性度，在旋转变压器的应用中需要具备较高的 SR(压摆率 Slew Rate)。

　　• 旋转变压器的常见激励方式为差分推挽输出，对放大器要求较宽的带宽以及较高的开环增益，以确保信号不失真。

　　• 汽车应用 EMI 环境复杂，为了保证励磁功率放大电路不被干扰，放大电路需要具备一定的 EMI 抑制能力。

　　• 作为高功率驱动级，需要具备限流和过温关断功能，保证系统的可靠性和鲁棒性。

　　• 传统的解决方案是利用通用运放和分立三极管搭建高输出电流，电路复杂可靠性低，且难以集成热关断和限流保护等功能。NSOPA240x运算放大器具有高电流输出能力，最大可支持 400mA 的持续电流输出，集成了过温关断，限流保护等安全功能，满足各类旋转变压器驱动的需求。

纳芯微NSOPA240x系列功率放大器应用介绍

　　图2 纳芯微用于旋变驱动的运放 NSOPA240x 关键参数 & 特性

　　1.1、输出电流

　　输出电流能力和输出摆幅是功率放大器最重要的指标之一，负载电流与输出摆幅之间的关系直接决定在驱动运放上的耗散功率。NSOPA240x 设计为最高 400mA 持续输出电流能力，完全满足各类旋转变压器驱动要求。

　　1.2、摆率

　　为了保证旋转变压器能够无失真地被驱动，一个关键前提是需要有足够的压摆率，对于正弦信号不失真的最低要求如以下公式所示：

纳芯微NSOPA240x系列功率放大器应用介绍

　　以 7Vrms，10KHz 的激励信号为例，保证不失真所需的最低压摆率为：

纳芯微NSOPA240x系列功率放大器应用介绍

　　下图显示的是不同频率与不同幅值的激励信号与所需的最小压摆率的关系。NSOPA240x 上升压摆率为6.5 V/μs,，下降压摆率为 7V/μs，完全满足旋转变压器驱动的应用。

纳芯微NSOPA240x系列功率放大器应用介绍

　　图3 旋转变压器驱动运放所需最小摆率与驱动信号频率幅值关系

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行业新闻

纳芯微 | SPI 隔离通信实战避坑：数字隔离器输出并联电平异常的原因与解决方案

　　在工业系统 SPI 一主多从通信架构中，为节省 IO 资源，数字隔离器输出通道并联复用是常见设计，但实际应用中极易出现电平无法正常拉高 / 拉低的异常问题，严重影响通信稳定性。本文先梳理工业系统主流通信方式及 SPI 隔离的应用场景，深入剖析数字隔离器输出并联导致电平异常的核心原因，再针对性给出两种经实测验证的解决方案(CS 反向使能电路、二极管反向阻断配合软件配置)，并明确实施过程中的关键注意事项，为工程师解决同类 SPI 隔离通信问题提供直接参考。　　01 工业系统常见通信方式　　通信接口是硬件系统中实现数据交换的核心模块，常分为内部通信接口(板级通信)、外部通信接口(对外通信)，如图1，不同接口在速率、距离、复杂度等方面各有特点，是纳芯微产品主要的应用场景之一。图1 板级通信和对外通信　　板级通信　　板级通信为设备内部组件间的通信，通常具备速度快、距离短的特性，通常具备速度快、距离短的特性，常见有UART、I2C、SPI、单总线等。具体参数如表1所示：表1 板级通信具体参数　　对外通信　　对外通信为设备级信号传输，用于实现设备间的数据交互，多采用差分传输方式，具备传输距离远的优势，常见类型包括 RS-232、RS-485、CAN 等，具体参数如下表所示：　　表2 对外通信具体参数　　02 隔离SPI机会点　　SPI全称为Serial Peripheral Interface(串行外设接口)，由摩托罗拉公司开发的一种同步、全双工、主从式串行通讯总线，可以实现一主多从的通讯连接。　　在硬件连接方式上，SPI常用4线制(SCK、MOSI、MISO、CS/SS)，各信号线的传输方向及功能描述如下表3所示：表3 SPI各信号线的传输方向及功能　　SPI一主多从的通讯拓扑，MOSI、MISO、SCK常采用复用接口，节省IO资源，通过独立的CS/SS实现从机选择。如图2所示。图2 SPI 一主多从基础拓扑　　在工业系统中，MCU高压域与低压域之间需要做通讯隔离，纳芯微隔离器NSI8241W(3正1反)适用于SPI信号隔离。对于一主一从的隔离方式，4通道刚好一对一匹配(3正向通道对应SCK、MOSI、CS/SS，1反向通道对应MISO)。对于一主多从的拓扑架构，同样会复用通道节省IO资源，如图3示例。图3 带数字隔离器的SPI主多从拓扑　　03 数字隔离器输出并联问题及解决方案　　数字隔离器隔离SPI复用通道实际测试时，会发现复用MISO会出现电平异常，当一路输入高，一路输入低的情况下，MISO不能完全被拉高或者拉低。如图4，两颗8241 Out口复用，输入分别给高、低时，MISO波形。图4 Vdd1=Vdd2=5.25V，IND1高，IND2低黄色OutD1=蓝色OutD2≈2.5V　　数字隔离器Out内部为推挽输出：输入为高时，推挽上管导通，输出高电平;输入为低时，推挽下管导通，输出低电平。当输入一高一低时，就会形成分压回路，造成MISO电平异常，如图5，这显然与SPI中规定MISO复用冲突(当SS拉低使能时，从机输出配置为推挽输出，当SS拉高时，从机输出需配置为高阻态，防止多个输出导致电平冲突)。图5 数字隔离器内部分压回路　　查阅NSI8241真值表(如图6所示)，当EN拉低时，数字隔离器可以输出高组态，能够满足SPI复用要求。因此我们给出以下电路调整方案，来实现数字隔离器输出口并联复用需求。图6 NSI241真值表　　方案1　　CS 处增加反向电路，同步使能数字隔离器　　在CS处增加反向电路(NPN、PNP、反相器等，需考虑Vce压降)同步使能数字隔离器。CS拉高禁用时，数字隔离器EN拉低禁用，Out复用输出高。　　方案2　　二极管反向阻断 + 软件配置，实现并联复用　　通过二极管进行反向阻断，配合软件配置合理实现数字隔离器输出并联复用。　　但需要注意的是：　　(1)需添加上下拉电阻，明确默认电平，同时满足信号上升沿、下降沿的时间要求;　　(2)需考虑二极管压降对电平幅值的影响，避免因压降导致通信误判;　　(3)当一路输出通道由高电平切换至低电平时，受寄生参数影响，可能会短暂通过二极管抽取另一通道电流，需重视由此产生的电压尖峰问题。　　结论与建议　　在工业 SPI 一主多从隔离通信场景中，数字隔离器输出通道并联复用是节省 IO 资源的常用方案，但因隔离器内部推挽输出结构，直接并联易导致电平异常。本文通过分析异常产生的核心原因，提供了两种经实测验证的解决方案(CS 反向使能电路、二极管反向阻断 + 软件配置)，同时明确了实施过程中的关键注意事项。工程师在实际设计中可根据项目需求选择合适方案，规避电平异常问题，保障 SPI 通信的稳定性。　　高可靠性四通道数字隔离器NSI824x已通过 UL1577 安全认证，支持3kVrms-8kVrms 多档绝缘电压，同时在低功耗下提供高电磁抗扰度和低辐射。数据速率高达 150Mbps，共模瞬态抗扰度 250kV/μs。支持数字通道方向及输入失电默认输出电平配置，宽电源电压可直接适配多数数字接口，简化电平转换;高系统级 EMC 性能进一步提升使用可靠性与稳定性。

2025-12-05 11:20 reading：174

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