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● 电气隔离接口

● 精度

 

在过程自动化中，通常还需要在各个输出通道之间建立电气隔离。除此之外，还有一些其他要求，例如基于通道的诊断或对HART®信号的支持。鲁棒性和容错性也是必备条件。

 

图1.隔离式模拟输出系统框图。

 

由于半导体的发展和混合信号工艺的不断改进，高集成密度的超小型电路成为可能。模拟输出通道的功能能够被完整地集成到IC中。因此，AD5758在5 mm × 5 mm封装尺寸内集成了DAC和驱动器的基本功能，以及众多其他模拟和逻辑功能，例如用于诊断的ADC、智能电源管理、基准电压源、可防止反向和过压的故障开关、数据校准寄存器以及SPI通信接口。

 

AD5758（图2）涵盖了用于自动化领域所有常见的输出范围：单极性0 V至10 V/0 mA至20 mA、双极性±10 V/±20 mA以及所有子范围（例如用于过程自动化的4 mA至20 mA）。每种设置都提供20%的超量程范围。这些值的输出采用16位分辨率。

 

图2.AD5758的功能框图。

 

功率损耗大幅降低

 

什么性能使AD5758特别适合温度和空间受限的应用？损耗主要发生在带有DC-DC转换器和输出驱动器级的电源部分。这正是智能电源管理的用武之地。AD5758具有自适应负载调整或动态功率控制(DPC)功能。DPC在电流输出模式下激活，并控制驱动特定负载所需的驱动器级上的电压。根据工作条件，电流输出的负载电压(I × RLOAD)仅占电源电压的一小部分。电源电压差必须事先以功率损耗的形式通过串联晶体管加以耗散。DPC现在将驱动器电压调节到比实际所需的负载电压（为输出晶体管保留裕量）高几伏特，从而将损耗降至最低。只有利用开关稳压器才能以这种方式进行电压的有效调节，而该器件已经集成在AD5758中，并可根据负载进行自动控制。即使在开关稳压器和上游电源中出现额外的损耗，总体功率损耗的降低仍然非常明显，尤其对于小负载电阻更是如此（见表1）。这首先使小尺寸设计成为可能，而且电路板也能保持良好的散热。

 

表1.输出电流I = 20 mA且固定电源电压为24 V时的理论损耗（不考虑DC-DC的内部功耗和效率）

 

降额设定严格的限制

 

降额定义为在规定边界条件下的性能降低，类似于功率半导体中的安全工作区(SOA)。由于前面提到的功率损耗和相关的冷却问题，未采用DPC的输出?？槭艿礁细竦娜认拗?。如今，信用卡大小的?？樯暇哂辛礁龌蛩母鐾ǖ篮艹＜ＭǔＤ？榈亩疃ɑ肪澄露茸罡呶?0°C。但是，在这些环境条件下，并非所有四个通道都可以驱动非常小的负载，因为在未采用DPC的四个通道中，?？橹械墓β仕鸷幕岽锏? W，产生的热量会使元件快速达到其极限值。通过热降额（图3），?？橹圃焐淘诮细叩幕肪澄露认陆瞿苁褂盟母隹捎猛ǖ乐械囊桓龌蛄礁?，从而大大降低了可用性和通道成本性能。

 

图3.典型的降额曲线。

 

由于AD5758具有自适应调节功能，其功率损耗仅在很低程度上取决于负载电阻，对于0 kΩ至1 kΩ的负载，其功率损耗始终保持在250 mW以下（表2）。因此，根据输出模块的设计，将能实现八个隔离通道，其总体功率损耗<2 W。5 mm × 5 mm LFCSP封装的结至环境热阻ΘJA为46 K/W，在200 mW的功率损耗下温升小于10°C。AD5758的额定环境温度可高达115°C。这为多通道?？樘峁┝撕艽蟮脑Ａ浚扌杞刀?。

 

表2.I = 20 mA和电源 = 24 V时DPC工作模式下的功率测量值

 

功率损耗值还包括使用ADP1031进行电源和数据隔离而产生的功耗。

 

电源优化

 

电源电压具有不同的要求：

 

● 逻辑电压：除了（工作模式取决于单极性或双极性）驱动器电源之外，AD5758输出IC还需要一个3.3 V的逻辑电压为内部模块供电。这可以利用片内LDO稳压器产生；但是，为了提高效率并降低功率损耗，建议使用开关稳压器。

 

● 隔离式驱动器电源：出于安全考虑，PLC总线与I/O?？橹涫贾毡３值缙衾?。图1采用不同颜色显示了这种隔离，其中包括逻辑（总线）端、电源和现场端输出的三种不同电位。

 

因为通常在电路板上也会对这三个部分进行空间分隔，即输出端朝向正面连接器端子设置，而背板总线（顾名思义）位于背面，所以将隔离、电源和输出驱动器集成到单芯片中并不明智。

 

电源管理单元ADP1031（图4）执行所有功能，并与AD5758搭配工作，能够在更小的空间需求和功率损耗下实现隔离式输出?？榈目ⅲㄍ?）。

 

图4.电源管理单元ADP1031。

 

ADP1031在9 mm × 7 mm封装尺寸内集成了四个?？椋?/div>