自適應(yīng)負(fù)載調(diào)整和動態(tài)功率控制實現(xiàn)模擬輸出的高效散熱設(shè)計

Jürgen Schemel，現(xiàn)場應(yīng)用工程師

當(dāng)今典型的可編程邏輯控制器（PLC）包含許多模擬和數(shù)字輸出，用來控制和監(jiān)視工業(yè)及生產(chǎn)過程。模塊化被廣泛采用，并且在輸入和輸出（I/O）方面，它涵蓋了模擬I/O和數(shù)字I/O的基本功能。模擬輸出提出了一個特殊的挑戰(zhàn)（如圖1所示），因為需要在眾多不同負(fù)載條件下提供高精度的有源驅(qū)動設(shè)定值。有源驅(qū)動器級此時變得尤為重要；損耗應(yīng)盡量小。

需要考慮的因素如下：

• 連接的負(fù)載
• 允許的最高環(huán)境溫度和內(nèi)部模塊溫度
• 通道數(shù)和模塊尺寸
• 電氣隔離接口
• 精度

在過程自動化中，通常還需要在各個輸出通道之間建立電氣隔離。除此之外，還有一些其他要求，例如基于通道的診斷或?qū)ART?信號的支持。魯棒性和容錯性也是必備條件。

圖1.隔離式模擬輸出系統(tǒng)框圖。

由于半導(dǎo)體的發(fā)展和混合信號工藝的不斷改進(jìn)，高集成密度的超小型電路成為可能。模擬輸出通道的功能能夠被完整地集成到IC中。因此，AD5758在5 mm × 5 mm封裝尺寸內(nèi)集成了DAC和驅(qū)動器的基本功能，以及眾多其他模擬和邏輯功能，例如用于診斷的ADC、智能電源管理、基準(zhǔn)電壓源、可防止反向和過壓的故障開關(guān)、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)寄存器以及SPI通信接口。

AD5758（圖2）涵蓋了用于自動化領(lǐng)域所有常見的輸出范圍：單極性0 V至10 V/0 mA至20 mA、雙極性±10 V/±20 mA以及所有子范圍（例如用于過程自動化的4 mA至20 mA）。每種設(shè)置都提供20%的超量程范圍。這些值的輸出采用16位分辨率。

圖2.AD5758的功能框圖。

功率損耗大幅降低

什么性能使AD5758特別適合溫度和空間受限的應(yīng)用？損耗主要發(fā)生在帶有DC-DC轉(zhuǎn)換器和輸出驅(qū)動器級的電源部分。這正是智能電源管理的用武之地。AD5758具有自適應(yīng)負(fù)載調(diào)整或動態(tài)功率控制（DPC）功能。DPC在電流輸出模式下激活，并控制驅(qū)動特定負(fù)載所需的驅(qū)動器級上的電壓。根據(jù)工作條件，電流輸出的負(fù)載電壓（I × RLOAD）僅占電源電壓的一小部分。電源電壓差必須事先以功率損耗的形式通過串聯(lián)晶體管加以耗散。DPC現(xiàn)在將驅(qū)動器電壓調(diào)節(jié)到比實際所需的負(fù)載電壓（為輸出晶體管保留裕量）高幾伏特，從而將損耗降至最低。只有利用開關(guān)穩(wěn)壓器才能以這種方式進(jìn)行電壓的有效調(diào)節(jié)，而該器件已經(jīng)集成在AD5758中，并可根據(jù)負(fù)載進(jìn)行自動控制。即使在開關(guān)穩(wěn)壓器和上游電源中出現(xiàn)額外的損耗，總體功率損耗的降低仍然非常明顯，尤其對于小負(fù)載電阻更是如此（見表1）。這首先使小尺寸設(shè)計成為可能，而且電路板也能保持良好的散熱。

表1.輸出電流I = 20 mA且固定電源電壓為24 V時的理論損耗（不考慮DC-DC的內(nèi)部功耗和效率）

降額設(shè)定嚴(yán)格的限制

降額定義為在規(guī)定邊界條件下的性能降低，類似于功率半導(dǎo)體中的安全工作區(qū)（SOA）。由于前面提到的功率損耗和相關(guān)的冷卻問題，未采用DPC的輸出模塊受到更嚴(yán)格的熱限制。如今，信用卡大小的模塊上具有兩個或四個通道很常見。通常模塊的額定環(huán)境溫度最高為60°C。但是，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，因為在未采用DPC的四個通道中，模塊中的功率損耗會達(dá)到3 W，產(chǎn)生的熱量會使元件快速達(dá)到其極限值。通過熱降額（圖3），模塊制造商在較高的環(huán)境溫度下僅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性能。

圖3.典型的降額曲線。

由于AD5758具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，其功率損耗僅在很低程度上取決于負(fù)載電阻，對于0 kΩ至1 kΩ的負(fù)載，其功率損耗始終保持在250 mW以下（表2）。因此，根據(jù)輸出模塊的設(shè)計，將能實現(xiàn)八個隔離通道，其總體功率損耗《2 W。5 mm × 5 mm LFCSP封裝的結(jié)至環(huán)境熱阻ΘJA為46 K/W，在200 mW的功率損耗下溫升小于10°C。AD5758的額定環(huán)境溫度可高達(dá)115°C。這為多通道模塊提供了很大的裕量，無需降額。

表2.I = 20 mA和電源 = 24 V時DPC工作模式下的功率測量值

功率損耗值還包括使用ADP1031進(jìn)行電源和數(shù)據(jù)隔離而產(chǎn)生的功耗。

電源優(yōu)化

電源電壓具有不同的要求：

• 邏輯電壓：除了（工作模式取決于單極性或雙極性）驅(qū)動器電源之外，AD5758輸出IC還需要一個3.3 V的邏輯電壓為內(nèi)部模塊供電。這可以利用片內(nèi)LDO穩(wěn)壓器產(chǎn)生；但是，為了提高效率并降低功率損耗，建議使用開關(guān)穩(wěn)壓器。
• 隔離式驅(qū)動器電源：出于安全考慮，PLC總線與I/O模塊之間始終保持電氣隔離。圖1采用不同顏色顯示了這種隔離，其中包括邏輯（總線）端、電源和現(xiàn)場端輸出的三種不同電位。

因為通常在電路板上也會對這三個部分進(jìn)行空間分隔，即輸出端朝向正面連接器端子設(shè)置，而背板總線（顧名思義）位于背面，所以將隔離、電源和輸出驅(qū)動器集成到單芯片中并不明智。

電源管理單元ADP1031（圖4）執(zhí)行所有功能，并與AD5758搭配工作，能夠在更小的空間需求和功率損耗下實現(xiàn)隔離式輸出模塊的開發(fā)（圖5）。

圖4.電源管理單元ADP1031。

ADP1031在9 mm × 7 mm封裝尺寸內(nèi)集成了四個模塊：

• 反激式轉(zhuǎn)換器，用于產(chǎn)生正隔離電源電壓VPOS。
• 反相器，用于產(chǎn)生雙極性輸出所需的負(fù)電源VNEG。
• 降壓型轉(zhuǎn)換器，用于為AD5758的邏輯電路提供VLOG。
• 具有額外GPIO的隔離SPI數(shù)據(jù)接口。
• 反激式轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢是效率高；僅需一個小尺寸的1:1變壓器。反激式轉(zhuǎn)換器在第一級可產(chǎn)生高達(dá)28 V的隔離驅(qū)動器電壓。由此生成反相器和降壓型轉(zhuǎn)換器，它們共用相同的地電位。

在電源管理單元的設(shè)計過程中，ADI公司特別加強(qiáng)了電磁兼容性（EMC）和魯棒性。例如，輸出電壓相移，且反激式控制器的壓擺率可調(diào)。同時還為所有三個電壓添加了軟啟動、過壓保護(hù)和電流限制功能，以實現(xiàn)良好的測量。

隔離式SPI接口基于成熟的iCoupler?技術(shù)，可傳輸工作所需的所有控制信號。因此實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)路徑（四個通道）和較低速率的GPIO控制路徑（三個復(fù)用通道）之間的區(qū)分。潛在的應(yīng)用是通過共同的控制信號同步激活多通道模塊或多個模塊中的輸出，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的組合提供隔離式模擬輸出的完整功能，僅需兩個芯片。尺寸約為13 mm × 25 mm，通道空間要求更小，僅為目前解決方案的一半。

除了節(jié)省空間以外，關(guān)鍵功能的集成還使布局更簡潔、電位便于分離并且硬件成本顯著降低。ADI公司的8通道演示設(shè)計僅使用一塊六層板，尺寸為77 mm × 86 mm（圖6）。

優(yōu)勢總結(jié)：

• 通過功率損耗優(yōu)化，使模塊更小且每個模塊具有更多通道
• 無需降額，允許更高的環(huán)境溫度
• 減少硬件工作量，從而降低了成本
• 輕松實現(xiàn)多通道模塊的可擴(kuò)展性
• 可靠的設(shè)計和更多診斷功能

圖5.采用ADP1031和AD5758實現(xiàn)完整的4通道模擬輸出。

圖6.隔離式8通道AO模塊。

作者簡介

Jürgen Schemel現(xiàn)任ADI公司現(xiàn)場應(yīng)用工程師，為自動化、工業(yè)4.0和狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域的工業(yè)戰(zhàn)略客戶提供支持。他于1996年獲得奧芬堡應(yīng)用科學(xué)大學(xué)碩士學(xué)位。他最初就職于西門子，從事工業(yè)應(yīng)用的通信技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計。