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。

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　　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

纳芯微丨AI 服务器电源功率密度提升，隔离采样芯片如何应对采样与保护挑战？

　　随着 AI 服务器电源功率密度和运行频率持续提升，系统对关键节点电压、电流的采样精度、响应速度和隔离安全提出了更高要求。　　在服务器电源系统中，从 AC/DC PFC 输入级到 DC/DC LLC 谐振级，各级功率转换均依赖精确的电压、电流监测数据，以支撑系统高效、稳定运行。在高压、高频、高功率密度工作条件下，如何在高压侧与低压控制侧之间实现可靠的物理隔离，并保障关键信号的准确、及时传输，成为系统设计中的重要问题。　　隔离采样技术可在高压侧与低压控制侧之间建立安全隔离，同时实现电压、电流等关键信号的采集与传输，帮助降低高压串扰、雷击或瞬态过压等因素对低压控制电路的影响，并为系统控制与保护提供必要反馈。　　01　　隔离采样技术演进　　从基础隔离到智能集成　　纳芯微隔离采样产品矩阵体现了从基础隔离采样向集成化、智能化方向的演进。　　以 0–2V 单端输入的 NSI1311 为起点，纳芯微隔离采样产品逐步向隔离电压采样、隔离电流采样和隔离比较器等方向拓展。　　在隔离电压采样方向，产品由单端输入的 NSI1311，发展至差分输入的隔离运放 NSI1312 和差分输入的隔离 ADC NSI1316，进一步覆盖不同应用需求。随着产品迭代，集成化趋势更加明显。NSI36xx 系列将隔离 DC-DC 电源集成于采样芯片内部，有助于简化高压侧供电设计。其中，NSI36CxxR 版本进一步集成比较器和运放，可简化系统电路，并支持硬件过流、过压保护。　　在隔离电流采样方向，产品由 NSI1300 演进至 NSI1400/1200C 系列，并推出了集成隔离电源的 NSI360x 系列。　　面向快速响应和简化设计需求，纳芯微推出隔离比较器 NSI22C12。该产品集成窗口比较器、隔离通道及高压侧 LDO，可用于实现过压或过流保护，尤其适用于服务器电源 LLC 谐振腔的快速过流保护场景。　　在服务器电源系统中，PFC 电路通常负责对输入交流电进行整形和升压，LLC 谐振拓扑随后完成 DC/DC 变换并形成最终输出。整个能量转换链路的安全、稳定运行，依赖于对关键节点电压和电流的精确监测。　　纳芯微隔离采样芯片可部署于服务器电源各核心监测点，覆盖 PFC 输入电压/电流检测、PFC 输出电压检测、LLC 谐振腔电流检测与快速过流保护，以及 DC/DC 输出电流检测等环节，支持电源系统实现从输入到输出的全链路监测与保护。　　02　　三款新品详解　　面向服务器电源的集成化设计　　服务器电源对功率密度、可靠性和效率要求较高。围绕不同层面的设计挑战，纳芯微推出了三款新品。　　首先是集成隔离电源的 NSI36xx 系列。相较于上一代 NSI13xx 系列，NSI36xx 系列进一步提升了集成度。传统方案通常需要分别为高压侧和低压侧设计供电电路，在浮地采样等场景下，设计复杂度和 PCB 占板面积较高。　　NSI36xx 系列仅需在低压侧提供单一电源即可正常工作，可省去高压侧供电电路设计，降低电源设计复杂度，并节省约 30%–50% 的板上面积，在空间受限的服务器电源系统中具备应用优势。　　NSI36CxxR 是该系列的差异化产品，集成内部比较器和单端准差分运放，可在百纳秒级时间内检测异常并触发保护机制，提升系统安全性和可靠性。　　第二款新品是 0–4V 宽压输入的隔离电压采样运放 NSI1611。面向服务器电源向更高电压发展的趋势，NSI1611 将输入范围扩大一倍，有助于提升系统抗干扰能力和采样精度。　　在相同扰动电压下，更宽的输入范围可降低扰动对采样结果的相对影响。同时，NSI1611 在保持 1GΩ 高阻输入的基础上拓宽输入范围，可进一步提升系统采样精度。　　NSI1611 提供单端输出或比例输出版本。其中，比例输出版本可将后级参考电压直接接入芯片 Reference 引脚，由芯片完成差分转单端转换及简单自适应放大，帮助客户充分利用后级 ADC 满量程，提升整体采样精度。　　第三款新品是面向快速保护设计的隔离比较器 NSI22C12。在服务器电源谐振腔过流采样中，传统方案通常采用 CT 方案或分立方案。CT 方案体积较大，输入端还需增加额外调理电路，会增加成本和 PCB 占板面积;在 DC 负载过流保护中，部分客户则采用普通比较器搭配高速光耦或数字隔离器的分立方案。　　NSI22C12 采用单芯片集成设计，集成窗口比较器，支持正负阈值设定;同时集成内部隔离通道，比较后可直接输出隔离数字信号。其高压侧集成高压 LDO，供电范围为 3.1V 至 27V，可直接接入驱动供电，简化外围供电设计。　　该产品保护延时最大仅 250 纳秒，可用于快速过压、过流检测，帮助服务器电源系统在异常工况下及时触发保护机制，提升系统控制的安全性和可靠性。　　03　　服务器电源应用　　从PFC到DC/DC全链路保护　　在典型服务器电源架构中，隔离采样芯片可部署于电能转换链路的关键环节，用于实现电压、电流检测及保护反馈。　　电源系统通常始于 PFC 电路。PFC 电路负责对输入交流电进行整形和升压，优化电网供电质量，并为后级电路提供稳定的高压直流电源。纳芯微隔离采样芯片可部署于 PFC 输入端和输出端，实时监测输入电压/电流及输出电压，为 PFC 控制回路提供关键反馈信号。　　随后，LLC 谐振电路完成 DC/DC 转换，将高压直流电转换为服务器主板所需的低压直流电。在这一环节，谐振腔电流检测与过流保护尤为关键。纳芯微隔离比较器 NSI22C12 凭借低于 250 纳秒的快速响应时间，可检测异常电流并触发保护机制，帮助降低功率器件损坏风险。　　在输出端，DC/DC 输出电流检测同样需要高精度隔离采样。通过监测输出电流，电源管理系统可根据不同负载条件调整工作状态，提升系统运行效率与稳定性。　　通过覆盖 PFC 输入/输出、LLC 谐振腔及 DC/DC 输出等关键环节，纳芯微隔离采样产品可支持服务器电源实现从输入到输出的全链路监测与保护。　　04　　精度、安全与成本　　隔离采样的三重优势　　纳芯微隔离采样芯片从采样精度、隔离安全和系统成本三个方面，为服务器电源设计提供支持。　　在采样精度方面，NSI1611 系列输入偏置电压优化至 ±0.8mV，较前代产品的 ±1.5mV 进一步降低;增益温漂由前代的 45ppm/℃ 优化至 40ppm/℃，提升全温区精度稳定性。其采样带宽达到 330kHz，可适配 SiC、GaN 等高频开关器件控制需求，满足系统高动态响应要求;　　在隔离安全方面，纳芯微“隔离+”产品提供高于基础隔离要求的安全等级，帮助系统建立高低压安全边界。NSI1611 系列隔离耐压可达 5700Vrms，最大浪涌隔离耐压 VIOSM 可达 10kV，可适配高温、高压等严苛应用环境;　　在系统成本方面，集成隔离电源的 NSI36xx 系列可省去外置隔离电源模块，降低整体 BOM 成本约 10%–20%;同时可节省 PCB 面积约 30%–50%，有助于实现更小型化的电源设计。NSI1611 的单端输出信号可直接接入 MCU 的 ADC 接口，省去传统差分输出方案所需的后级运放及调理电路，进一步降低 BOM 成本和 PCB 布局复杂度。

2026-06-03 10:02 reading：179

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