[参考译文] OPA549-HiRel：适用于超声波传感器的 OPA549-HiRel

Hector、您好！

您可能感兴趣：

https://www.powerelectronictips.com/transformers-for-ultrasonic-sensing-applications-faq/

e2e.ti.com/.../ultrasonic_5F00_transducer_5F00_tuning.pdf

Kai

尊敬的 Kai：  

感谢您在我们休息时回答我们的问题。 新年快乐！

Hector、您好！  

取代 OPA462的 OPA549功率放大器应该适用于此应用、请参阅随附的应用手册。  

https://www.ti.com/lit/an/sboa502/sboa502.pdf?ts=1672791912411&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

变压器的匝数比为1：14、这意味着变压器的初级侧需要驱动高达350Vpk/14 = 25Vpk (次级侧为700Vpp)、超声波换能器消耗大约100W、并且每个 OPA549需要驱动高达50W (假设平均值)。 30kHz 时的正弦波形中的功率)。

对于 +/-30V 电源轨、OPA549很可能具有 峰值电压的余量、但我需要对其进行某些仿真(余量可能接近；如果传感器浮动、我们可能会考虑使用非对称电源轨。) 请为我们提供变压器的 LCR 参数、以实现精确的仿真。  

我猜、您的超声波传感器在变压器初级侧和次级侧采用浮动配置进行驱动。 实际上、我认为您的应用可能类似于旋转变压器驱动配置、如以下链接所示(OPA549将拉/灌入驱动超声波传感器所需的电流除外)。   

https://e2e.ti.com/blogs_/b/analoguewire/posts/how-to-boost-the-performance-of-your-resolver-without-compromise

由于变压器的工作频率为30kHz (可能为正弦波形)、因此您需要选择一个能够以30kHz 的频率运行且具有最小磁芯损耗的变压器。 您是否有传感器的阻抗参数？ 除了最大限度降低变压器的磁芯损耗、次级变压器需要具有更低的阻抗才能驱动传感器。 请告诉我们该项目的更多设计要求。  

最棒的

Raymond

祝您新年快乐、亲爱的 Raymond

Hector、您好！

根据我的链接、我会要求电感和线圈制造商提供合适的变压器解决方案。 我相信、它们可以为您提供合适的变压器、并告诉您如何驱动它。 它们应该能够提供其变压器的等效电路模型。

Kai

感谢您的帮助；  

这里是我几年前构建的驱动程序的草图；这里我们使用 Apex Analog 的 OP04、这是一种昂贵的设备、我们需要对其进行更改。  

OP04的输出提供170Vpp 以驱动初级电感约1.1mH 的变压器、次级电感约为14.25mH、因此比率为3.6。  

换能器620Vpp 上的峰值约为310V、 超声波功率约为80W。  

对于新设计、我们考虑使用 OPA549、它可以输出 50Vpp；我们无法更改次级侧的电感、因为它与换能器匹配以获得最大功率、因此它为14.25mH；我们现在需要更改变压器的比率以获得相同的峰值310v 峰值。 因此新比率为 620/50=12,4。 因此初级电感现在为92uH。  

1. 我的问题： 如果输出浮动(未连接换能器) ，输出电流大约为1.7A 峰值，这意味着在没有负载的情况下大约为30瓦！  我在这里吗？  

 为了减小电流、我们需要提高电压以降低变压器比、从而在初级侧获得更高的电感； 考虑在差分配置中使用两个 OPA549以获得100vpp ；这是可行的吗？  因此输出电流可以更低至0.8A。

是否有其他建议可以解决此问题？ 非常感谢大家的参与  

传感器的信息随附于此处，其 CP = 3000pF； e2e.ti.com/.../2032--Specification-_2800_9_2900_.pdf

此致  

Hector  

Hector、您好！  

如果超声波换能 器消耗大约80W 的功率、假设这是平均功率、则驱动器的初级侧也必须提供大约80W 的总功率(平均)。 在浮动配置下、每个运算放大器每路输出大约40瓦(假设是100%磁耦合)。 是的、如果我们能够在变压器的初级侧执行功率因数校正、则可以在镇流器中为每个运算放大器提供30瓦功率。

它可以通过差分驱动器配置(具有浮动变压器和负载)实现、 但我必须在明天的仿真中进行验证。

您有两个设计选项。 选项1使用上述技术。  

第二个选项：使用单个 OPA462 +电流缓冲器输出或电流升压放大器来驱动变压器/换能器、该设计类似于 Apex AP04 PA 配置(不需要高成本的 PA04 PA)。

请告诉我们您将在设计中采用哪种方法。  

最棒的

Raymond  

考虑 使用 OPA541 器件会怎么样？ 它具有更高的电源电压；80V。

Hector、您好！  

 超声波换能器有两个驱动选项、请告诉我您感兴趣的是哪一个。  

OPA549/OPA541在浮动配置中驱动变压器初级侧。 您正在寻找50Vpp 电压摆幅、变压器驱动器初级侧的总功率约为80W (平均功率)。  

2.使用 OPA462 +互补 BJT 或 MOSFET 电流升压器来驱动变压器、这与您之前的设计配置类似。  

总成本可能是相当的、方案2的成本可能会稍微低一些。  

BTW、变压器1mH 初级侧中的 ESL 是什么？  

最棒的

Raymond

您好，Raymond；  

我们将如上面原理图中所示使用的是表示法；但如果我们可以使用 OPA541、我想我们现在可以使用80Vpp。  

此致  

萨米语  

Hector、您好！  

封闭是驱动变压器上的浮动驱动示例。 由于您没有向我提供 ESL 数字、我估计了一个用于仿真的值、并且我没有在驱动器侧包含所有保护元件。 此外、驱动输入从50Vpp 更改为80Vpp。 因此、请考虑这是 HV 应用的推荐驾驶示例。  

所示为 Tina 仿真。  

e2e.ti.com/.../OPA541-32kHz-Transformer-01062023.TSC

如果您有其他问题、请 告知我们。  

最棒的

Raymond

您好，Raymond；  

感谢您为我所做的出色工作。  变压器的比例应为1:5； 运输管道的比例应为70Vpeak 至350peak；  

二次侧电感应固定为14.25mH，以匹配换能器，因此我们现在可以得到570uH 的一次侧电感。  

我在仿真中的第二个问题是，即使没有负载，初级侧也将消耗最低380mA 的电流；对吗？   

  我们现在如何计算每个运算放大器中的更大功率以找到合适的电源；如果我们假设最大功率为100W ；在初级侧。 这是否意味着每个运算放大器将共享50瓦？  

   运算放大器的散热器现在如何？  

在我之前的演示中，我们使用低侧电阻器测量电流；现在，我认为我们需要高侧配置 来测量初级侧的电流，对吧？ 请在这里提出任何建议？  

再次感谢你  

此致  

Hector  

Hector、您好！  

我将一次侧电感更改为570uH、在没有超声波传感器负载的情况 下、最小电流约为±600mApk。  

如果断开超声波连接、则单独驱动变压器时的功率耗散约为29W。 上部 OPA541将耗散15.2W、而下部功率放大器将耗散13.7W。  

e2e.ti.com/.../OPA541-32kHz-Transformer-01092023.TSC

下面的幻灯片显示了如何通过 Tina 连接功率耗散表。 请记住、仿真假设 ESL 为2Ω μ F、因为我没有实际的变压器数字。  

在棒球场中、这是正确的。  

变压器次级侧的阻抗会反射回初级侧、因为 ZP_READ = Z_s*(NP/NS)^2。   

LP = 570uH、LS = 14mH  

LP/LS = ZP/ZS =(NP/NS)^2 -> NP/NS = 0.202、这大约为1：5的匝数比。 它取决于超声波换能器中的 ZS、它决定了 OPA541将消耗的功率。  

如果您将层压 Si 钢芯用于变压器(磁通密度为∼14000高斯)、它应该能够处理32kHz 的频率、而不会产生明显的磁芯损耗。 变压器设计中有两种类型的损耗(我猜是您希望构建自己的磁性变压器)、即涡流损耗和铜损耗。 您应该能够在设计中实现大约95%的效率、但设计由损耗驱动、而不是由变压器尺寸的 physical size 驱动。 损耗越低、变压器磁芯将越大。 也许您可以告诉我您用于驱动超声波换能器的现有变压器有多大。

就电流传感器而言、您可以在 OPA541的反馈环路中插入感应电阻器(请参阅用蓝色框标记的位置)、使用仪表放大器或电流监视器来获取电流信息。  

热指标表如下所示。 由于我没有关于 Tamb 运行条件的信息、我不想对该主题发表评论。 该应用需要较大的散热器和气流来去除 OPA541s 产生的热量、并且更喜欢在接近室温的条件下运行。   

如果您有其他问题、请告诉我。  

最棒的

Raymond

谢谢 Raymond；  

很抱歉我不在办公室了；我们很快就会进行测试，我会告诉您结果；现在非常感谢您的大力支持。