簡(jiǎn)化隔離式軟件可配置I/O通道設(shè)計(jì)的高集成度、系統(tǒng)級(jí)方法

本文介紹一種軟件可配置輸入/輸出(I/O)器件及其專用隔離電源和數(shù)據(jù)解決方案，該解決方案有助于應(yīng)對(duì)系統(tǒng)級(jí)工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文闡述了在設(shè)計(jì)單個(gè)IC時(shí)從系統(tǒng)級(jí)角度進(jìn)行思考的優(yōu)勢(shì)，并重點(diǎn)討論了建議解決方案的功耗優(yōu)化功能。

簡(jiǎn)介

為過(guò)程控制、工廠自動(dòng)化、樓宇控制系統(tǒng)等工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)隔離式I/O解決方案時(shí)，有許多方面需要考慮，其中包括功耗、數(shù)據(jù)隔離和外形尺寸。圖1顯示了系統(tǒng)解決方案，其在隔離式單通道軟件可配置I/O解決方案中使用 AD74115H和ADP1034，解決了電源、隔離和面積挑戰(zhàn)。通過(guò)將ADP1034的電源和數(shù)據(jù)隔離功能與AD74115H的軟件可配置能力相結(jié)合，可以僅使用兩個(gè)IC和非常少的外部電路來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)隔離式單通道I/O系統(tǒng)。

系統(tǒng)級(jí)解決方案

ADP1034是一款高性能隔離式電源管理單元，包含一個(gè)隔離反激式穩(wěn)壓器、一個(gè)反相降壓升壓調(diào)節(jié)器和一個(gè)降壓調(diào)節(jié)器，提供三個(gè)隔離式電源軌并集成了七個(gè)低功耗數(shù)字隔離器。ADP1034還具有可編程功率控制(PPC)功能，可通過(guò)單線接口按需調(diào)整VOUT1上的電壓。VOUT1為AD74115H AVDD電源軌提供6 V至28 V的電壓。VOUT2為AD74115H電源軌AVCC和DVCC提供5 V電壓。如需要，它還能為外部基準(zhǔn)電壓源提供電源電壓。VOUT3為AD74115H AVSS電源軌提供-5 V至-24 V的電壓。

功耗和優(yōu)化

設(shè)計(jì)通道間隔離模塊時(shí)，主要的權(quán)衡通常是在功耗和通道密度之間。隨著模塊尺寸縮小，通道密度增加，每個(gè)通道的功耗必須降低，以滿足模塊的最大功耗預(yù)算要求。在這種情況下，模塊是指ADP1034和AD74115H，當(dāng)它們共同使用時(shí)，可提供隔離電源、數(shù)據(jù)隔離和軟件可配置I/O功能。

AD74115H和ADP1034之所以成為出色的低功耗解決方案，原因在于集成PPC功能的引入。PPC使用戶能夠按照需求調(diào)整VOUT1電壓（AD74115H AVDD電源電壓）。這種方法可以大大降低模塊在低負(fù)載條件下的功耗，特別是在電流輸出模式下。

使用PPC功能時(shí)，系統(tǒng)中的主機(jī)控制器通過(guò)SPI向AD74115H發(fā)送所需的電壓代碼，該代碼隨后通過(guò)單線串行接口(OWSI)傳遞至ADP1034。OWSI實(shí)現(xiàn)了CRC校驗(yàn)功能，非常穩(wěn)健，可抵抗惡劣工業(yè)環(huán)境中可能存在的EMC干擾。

查看功耗計(jì)算示例可知，如果AVDD = 24 V且負(fù)載為250 Ω，則對(duì)于20 mA的電流輸出，模塊總功耗為748 mW。當(dāng)使用PPC將AVDD電壓降至8.6 V（負(fù)載電壓 + 裕量）時(shí)，模塊功耗約為348 mW。這表明模塊內(nèi)節(jié)省了400 mW的功耗。

功耗計(jì)算示例

示例1和示例2選擇了電流輸出用例，驅(qū)動(dòng)20 mA輸出。負(fù)載為250 Ω，使能ADC，以每秒20個(gè)樣本轉(zhuǎn)換默認(rèn)測(cè)量配置。

圖1.ADP1034和AD74115H電路圖

示例1（無(wú)PPC）：

AD74115H輸出功率 = (AVDD = 24 V) × 20 mA = 480 mW

AD74115H輸入功率 = AD74115HQUIESCENT (206 mW) + ADC功耗 (30 mW) + 480 mW = 716 mW

模塊輸入功率 = 716 mW + ADP1034功耗 (132 mW) = 848 mW

負(fù)載功耗 = 20 mA2 × 250 ? = 100 mW

模塊總功耗 =（模塊輸入功率 - 負(fù)載功耗）= 748 mW

在示例2中可以看到，當(dāng)使能PPC功能以將AVDD降低到所需電壓(20 mA × 250 Ω) + 3.6 V裕量 = 8.6 V時(shí)，模塊的功耗降至348 mW。

示例2（使能PPC）：

AD74115H輸出功率 = (AVDD = 8.6 V) × 20 mA = 172 mW

AD74115H輸入功率 = AD74115HQUIESCENT (136 mW) + ADC Power (30 mW) + 172 mW = 338 mW

模塊輸入功率 = 338 mW + ADP1034 Power (100 mW) = 448 mW

負(fù)載功耗 = 20 mA2 × 250 ? = 100 mW

模塊總功耗 =（模塊輸入功率 - 負(fù)載功耗）= 348 mW

圖2顯示了AD74115H應(yīng)用板上在25°C時(shí)的實(shí)測(cè)功耗。測(cè)量結(jié)果表明，功耗略低于計(jì)算的功耗。此結(jié)果會(huì)因器件而略有不同。

圖2.測(cè)量數(shù)據(jù)：驅(qū)動(dòng)20 mA到250 Ω負(fù)載，AVDD = 24 V，AVDD = 8.6 V（使用PPC）

圖3顯示了使用PPC的模塊（ADP1034和AD74115）功耗（針對(duì)每個(gè)負(fù)載電阻值設(shè)置優(yōu)化的AVDD）與不同負(fù)載電阻值的關(guān)系。兩個(gè)不同的電壓被施加于ADP1034的VINP（15 V和24 V），以顯示ADP1034的效率。測(cè)量是在25°C下進(jìn)行。

圖3.20 mA輸出時(shí)功耗與RLOAD的關(guān)系

圖4顯示了不同溫度下使用PPC的功耗（針對(duì)每個(gè)負(fù)載電阻值設(shè)置優(yōu)化的AVDD）與不同負(fù)載電阻值的關(guān)系。

圖4.功耗與溫度的關(guān)系

表1.使用PPC的AD74115H典型用例功耗

數(shù)字輸出用例

在工業(yè)應(yīng)用中，數(shù)字輸出被認(rèn)為是最耗電的使用場(chǎng)景。AD74115H支持內(nèi)部和外部拉電流與灌電流數(shù)字輸出。ADP1034可為內(nèi)部數(shù)字輸出功能提供足夠的功率，支持最高100 mA的連續(xù)拉電流或灌電流。在這種情況下，數(shù)字輸出電路電源DO_VDD直接連接到AVDD。對(duì)于100 mA以上的電流，必須使用外部數(shù)字輸出功能，這需要將額外的電源連接到DO_VDD。

內(nèi)部數(shù)字輸出用例超時(shí)

為了支持在初始上電時(shí)對(duì)容性負(fù)載充電，可以在使用內(nèi)部數(shù)字輸出用例的同時(shí)，使能更高的短路限流值(~280 mA)，使能的時(shí)間T1可編程。經(jīng)過(guò)T1時(shí)間后，部署第二短路限流值(~140 mA)。這是一個(gè)較低的限流值，在可編程的持續(xù)時(shí)間T2內(nèi)有效。在這些短路情況下，系統(tǒng)需要更多電流，因此必須注意確保ADP1034 VOUT1電壓不會(huì)驟降。為確保無(wú)驟降，如果需要24 V DO_VDD，建議將24 V電壓作為ADP1034的系統(tǒng)電源電壓。這是24 V繼電器的典型電壓需求。對(duì)于12 V繼電器，建議使用至少18 V的系統(tǒng)電源電壓(ADP1034 VINP)，以確?？梢詾樨?fù)載提供足夠的電流。

圖5和圖6顯示了DO_VDD與T1和T2短路限值的關(guān)系，證明了使用ADP1034提供大電流的穩(wěn)定性。

圖6.系統(tǒng)電源 = 24 V，DO_VDD電壓 = 12 V

數(shù)據(jù)隔離和解決方案尺寸

ADP1034采用ADI公司的iCoupler?專利技術(shù)，在7 mm × 9 mm封裝中集成了三個(gè)隔離電源軌，包括SPI數(shù)據(jù)和三個(gè)GPIO隔離通道。這種高集成度將所有通道隔離要求整合到PCB上的一個(gè)小區(qū)域中，有助于解決PCB面積挑戰(zhàn)，而且實(shí)現(xiàn)了省電。當(dāng)通道不使用時(shí)，ADP1034的控制器端將其他SPI隔離器通道置于低功耗狀態(tài)。這意味著通道僅在需要時(shí)才處于活動(dòng)狀態(tài)。三個(gè)隔離GPIO通道用于隔離AD74115H的RESET、ALERT和ADC_RDY引腳，從而滿足AD74115H的所有隔離要求，而無(wú)需增加額外的隔離器IC成本。

結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)一種低功耗、小尺寸的通道間隔離I/O解決方案，哪怕是對(duì)于業(yè)內(nèi)一些經(jīng)驗(yàn)十分豐富的設(shè)計(jì)人員而言，也可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。ADP1034和AD74115H系統(tǒng)級(jí)解決方案通過(guò)高集成度和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法化解了該挑戰(zhàn)。由單個(gè)IC從單個(gè)系統(tǒng)電源提供三個(gè)隔離電源軌，并提供集成數(shù)據(jù)隔離，這使得BOM成本大幅降低。再加上AD74115H的靈活性，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)將能滿足大多數(shù)I/O工業(yè)應(yīng)用的要求。

審核編輯：郭婷