自適應(yīng)負(fù)載調(diào)節(jié)和動態(tài)功率控制可實現(xiàn)模擬輸出的酷炫設(shè)計

當(dāng)今典型的可編程邏輯控制器（PLC）包含大量模擬和數(shù)字輸入和輸出，用于監(jiān)視和控制 工業(yè)和生產(chǎn)過程。模塊化很普遍，在輸入和輸出（I/O）方面，涵蓋了模擬I/O和數(shù)字I/O的基本功能。模擬輸出帶來了特殊的挑戰(zhàn)，因為如圖1所示，必須在許多不同的負(fù)載條件下以高精度主動驅(qū)動設(shè)定值。主動驅(qū)動器階段在這里很重要;損失應(yīng)盡可能小。

圖1.隔離式模擬輸出系統(tǒng)框圖。

需要考慮的因素如下：

連接的負(fù)載

最大允許的環(huán)境溫度和內(nèi)部模塊溫度

通道數(shù)和模塊大小

電氣隔離接口

準(zhǔn)確性

在過程自動化中，通常需要在各個輸出通道之間設(shè)置電流屏障。除此之外，還有 其他條件，例如基于通道的診斷或?qū)ART信號的支持。健壯性和容錯也是先決條件。?

由于半導(dǎo)體的發(fā)展和不斷改進(jìn)的混合信號工藝，具有高集成密度的非常小的電路成為可能。模擬輸出通道的功能可以完全集成在單個IC中。因此，在5 mm×5 mm的占位面積內(nèi)，AD5758集DAC和驅(qū)動器的基本功能以及許多其他模擬器件于一身。 和邏輯功能，如用于診斷的ADC、智能電源管理、基準(zhǔn)電壓源、反向和過壓故障開關(guān)， 用于校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的寄存器和SPI通信接口。

AD5758（圖2）涵蓋自動化領(lǐng)域使用的所有常見輸出范圍：單極性0 V至10 V/0 mA至20 mA、雙極性±10 V/±20 mA，以及過程自動化中使用的4 mA至20 mA等所有子范圍。每個設(shè)置提供 20% 的超量程。這些值以 16 位分辨率輸出。

圖2.AD5758的框圖

能效優(yōu)化

是什么讓AD5758特別適合溫度和空間關(guān)鍵型應(yīng)用？熱量形式的損失主要發(fā)生在功率中 DC-DC轉(zhuǎn)換器和輸出驅(qū)動器級的部分。這就是智能電源管理發(fā)揮作用的地方。AD5758的特性 自適應(yīng)負(fù)載調(diào)節(jié)或動態(tài)功率控制 （DPC）。DPC在電流輸出模式下處于活動狀態(tài)，并控制驅(qū)動器級所需的電壓 將特定電流驅(qū)動到負(fù)載中。根據(jù)工作條件，電流輸出的負(fù)載電壓（I × R負(fù)荷） 可能僅占電源電壓的一小部分。相對于電源電壓的差異必須在串聯(lián)晶體管中以功率損耗的形式消散，從而產(chǎn)生熱量。DPC 現(xiàn)在將驅(qū)動器電壓調(diào)節(jié)到比實際所需負(fù)載電壓（輸出晶體管的裕量）高幾伏，并且 從而提供最小的散熱。只有通過降壓開關(guān)穩(wěn)壓器才能以這種方式高效調(diào)節(jié)電壓，該穩(wěn)壓器已集成在AD5758中，并根據(jù)負(fù)載自動控制。即使開關(guān)穩(wěn)壓器和上游電源中出現(xiàn)額外的損耗，整體熱降低也非常有效，特別是對于小負(fù)載電阻;見表1。它首先使更小、更高密度的設(shè)計成為可能，并且電路板保持涼爽。

降額設(shè)置嚴(yán)格限值

降額定義為在定義的邊界條件下性能降低，類似于功率中的安全工作區(qū) （SOA） 考慮 半導(dǎo)體。由于前面提到的功率損耗和相關(guān)冷卻問題，對這些輸出施加了嚴(yán)格的熱限制 不帶 DPC 的模塊。如今，信用卡大小的模塊上的兩個或四個通道很常見。這些模塊通常針對環(huán)境溫度進(jìn)行指定 最高 60°C。 然而，在這些環(huán)境條件下，并非所有四個通道都可以驅(qū)動非常小的負(fù)載，因為如果沒有DPC，這四個通道將在模塊中產(chǎn)生約3 W的功率損耗，并且產(chǎn)生的熱量會迅速將內(nèi)部模塊溫度提高到超出組件的最大規(guī)格。通過熱降額（圖 3），模塊制造商在高環(huán)境溫度下只能使用四個可用通道中的一個或兩個，從而大大降低了可用性和通道成本。

圖3.典型的降額圖表。

得益于其高效的DPC，AD5758的功率損耗僅略微取決于負(fù)載電阻和總通道耗散 對于 0 kΩ 至 1 kΩ 的負(fù)載，始終保持在 <250 mW（表 2）。因此，根據(jù)輸出模塊的設(shè)計，可能 在最壞情況下，隔離通道將在<2 W下實現(xiàn)。5 mm × 5 mm LFCSP，其從結(jié)點到環(huán)境溫度的熱阻 Θ賈的 46 K/W 在 200 mW 的功率損耗下將環(huán)境溫度提高不到 10°C。AD5758的額定工作環(huán)境溫度高達(dá)。 115°C. 這為多通道模塊提供了很大的裕量，而無需降額。

功耗數(shù)字適用于整個通道，還包括使用ADP1031的電源和數(shù)據(jù)隔離引起的功耗。

優(yōu)化的電源

電源電壓有不同的要求：

邏輯電壓：除（工作模式相關(guān)單極性或雙極性）驅(qū)動器電源外，AD5758輸出IC的內(nèi)部模塊需要3.3 V邏輯電壓。這可以通過片上LDO穩(wěn)壓器產(chǎn)生;但是，為了獲得最佳效率和更低的功率損耗，建議使用開關(guān)穩(wěn)壓器。

隔離式驅(qū)動器電源：出于安全原因，PLC 總線始終與 I/O 模塊電氣隔離。圖 1 顯示了這種隔離 邏輯（總線）側(cè)、電壓電源和現(xiàn)場側(cè)輸出三種不同電位的顏色編碼。

由于這三個部分在電路板上通常也在空間上分開 - 輸出朝向前連接器端子， 顧名思義，背板總線位于背面，但隔離、電源和輸出驅(qū)動器集成在單個芯片上不會 有意義。

電源管理單元ADP1031（圖4）執(zhí)行所有功能，并與AD5758配合開發(fā)隔離式輸出模塊 空間要求和功耗最小（圖 5）。

圖4.電源管理單元ADP1031。

圖5.完整的4通道模擬輸出，采用ADP1031和AD5758。

ADP1031集成了四個模塊，采用9 mm×7 mm封裝：

反激式轉(zhuǎn)換器，用于產(chǎn)生隔離式正電源電壓VPOS。

用于雙極性輸出 VNEG 的負(fù)電源的逆變器。

降壓轉(zhuǎn)換器，用于為AD5758邏輯電路提供VLOG電源。

帶有附加 GPIO 通道的隔離式 SPI 數(shù)據(jù)接口。

反激式轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是效率高;只需要一個小型的1：1變壓器。反激式轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生隔離 第一級驅(qū)動器電壓高達(dá)28 V。逆變器和降壓轉(zhuǎn)換器由此衍生，具有相同的接地電位。

在電源管理單元的設(shè)計過程中，特別強調(diào)電磁兼容性（EMC）和魯棒性。例如 輸出電壓是相移的，反激式控制器的壓擺率是可調(diào)的。軟啟動、過壓保護(hù)和電流 還增加了所有三個電壓的限制，以便更好地測量。

隔離式SPI接口基于ADI成熟的i耦合器技術(shù)，可傳輸工作所需的所有控制信號。因此，區(qū)分了用于SPI數(shù)據(jù)的高速路徑（四通道）和用于控制GPIO的較慢路徑（三通道多路復(fù)用）?？赡艿膽?yīng)用包括通過公共控制信號同步激活多通道模塊或跨多個模塊的輸出、回讀錯誤標(biāo)志或觸發(fā)安全關(guān)斷。?

系統(tǒng)優(yōu)勢

AD5758和ADP1031的組合僅在兩個器件上提供隔離模擬輸出的完整功能。包括隔離在內(nèi)，通道空間要求約為 13 mm × 25 mm，其通道空間要求極低，是當(dāng)今解決方案尺寸的一半。

除了節(jié)省空間外，關(guān)鍵功能的集成和固有的堅固性提供了更簡單的布局、輕松分離電位和 顯著降低硬件成本。ADI 的 8 通道演示設(shè)計僅使用一塊六層電路板，尺寸為 77 mm × 86 mm（圖 6）。

圖6.隔離式 8 通道 AO 模塊。

優(yōu)勢總結(jié)：

通過優(yōu)化的功率控制實現(xiàn)具有更高通道密度的更小模塊

在所有負(fù)載條件下均無降額，具有擴展的環(huán)境溫度范圍

由于更高的集成度和穩(wěn)健性，降低了 BOM 和裝配成本

多通道模塊易于擴展 — 多達(dá) 8 個通道，最大功耗小于 2 W

具有擴展診斷功能的堅固設(shè)計

審核編輯：郭婷