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如何搞定功耗和空间,实现可靠又紧凑的隔离模拟输出模块?

发布时间:2019-12-10 责任编辑:lina

【导读】为可编程逻辑控制器(PLC)或分布式控制系统(DCS)模块等过程控制应用设计通道间隔离模拟输出模块时,主要权衡因素通常是功耗和通道密度。
 

为可编程逻辑控制器(PLC)或分布式控制系统(DCS)模块等过程控制应用设计通道间隔离模拟输出模块时,主要权衡因素通常是功耗和通道密度。随着模块尺寸缩小,通道密度增加,每个通道的功耗必须降低,以满足模块的最大功耗预算要求。更高的通道密度也意味着每个通道可用的PCB空间越少。
 
系统级解决方案
图1所示为 AD5758 和 ADP1031 系统解决方案,它们解决了功耗和空间问题,支持实现更高水平的集成。本文显示在制造单通道功耗低于2 W的8通道模块时,如何让其保持小尺寸。
 如何搞定功耗和空间,实现可靠又紧凑的隔离模拟输出模块?
图1. AD5758和ADP1031 8通道电路板。
 
ADP1031解决了隔离和尺寸问题,提供300 V基础的电源和数据隔离,AD5758则提供低功耗、高精度,可配置的电流或电压输出通道。
 
集成、隔离电源和数据
ADP1031采用了ADI获得专利的iCoupler®技术,在7 mm × 9 mm大小的封装内集成3个隔离电源轨,以及SPI和GPIO数据隔离。这种高度集成帮助解决了PCB空间占用问题,在较小的PCB空间内整合和满足所有通道隔离要求。
 
如何搞定功耗和空间,实现可靠又紧凑的隔离模拟输出模块?
图2. ADP1031框图。
 
低功耗
AD5758采用了动态功率控制(DPC)技术,在该器件被配置用于控制电流输出时,在最坏的操作条件下,能够帮助最小化模块的功耗。它可以持续跟踪输出电压,将输出驱动器的供电量降到最低,以保持输出负载电流,上述这些都通过一个集成、可编程、高效率的降压转换器实现。在电流输出模式下,DPC启用后,AD5758会自动调节DPC电压,在所有负载条件下最小化功耗。
 
如何搞定功耗和空间,实现可靠又紧凑的隔离模拟输出模块?
图3. AD5758框图。
 
ADP1031的设计经过优化之后,能在最坏的负载条件下为AD5758提供高效的隔离电流,以此最小化总通道功耗。ADP1031中集成的高速SPI通道在启动时也可以降低功耗,在关闭时则进入低功耗状态。
 
ADP1031
●   宽输入电源电压范围:4.5 V 至 60 V
●   集成式反激电源开关
●   生成隔离式独立双极输出和工厂可编程降压输出
●   VOUT1:21 V、24 V 或 6 V 至 28 V
●   VOUT2:5.15 V、5.0 V 或 3.3 V
●   VOUT3:−24 V 至 −5 V
●   使用1:1比率的变压器简化变压器设计
●   适用于反激、降压和反相稳压器的峰值电流限制和OVP
●   精密启用输入和电源正常输出
●   可通过 SYNC 输入调整开关频率
●   每个稳压器的内部补偿和软启动控制
●   高速低传播延迟 SPI 信号隔离通道
●   三个 100 kbps 通用隔离式数据通道
 
隔离反激式变压器
由于ADP1031集成了反激通道,导致反激式变压器的设计得到简化,因为它只需要单个初级和次级绕组。这意味着变压器的外形可以更小,同时仍能满足效率和隔离要求。推荐ADP1031使用的变压器的尺寸为8.6 mm × 8.26 mm,高度不到9.7 mm。有关推荐使用的变压器的列表,请参考ADP1031数据手册。
 
解决方案尺寸
高度集成使得每个隔离通道都能装入大小不足400 mm2的双面PCB中。这包括所有相关的无源组件和隔离间距。
 
支持诊断和HART连接的灵活的高精度通道
AD5758集成了先进的诊断功能,能够快速检测异常行为和故障。
 
错误标志被存储在两个寄存器中:数字诊断结果寄存器和模拟诊断结果寄存器,分别用于片内数字诊断和片内模拟诊断。一些重要诊断包括:
●   看门狗定时器错误
●   SPI CRC错误
●   无效的SPI访问
●   SCLK计数器错误
●   校准存储器CRC错误
●   输出过压保护
●   电压输出短路错误
●   电流输出开路错误
●   过温错误
●   内部供电错误
●   DPC错误
 
AD5758还集成了一个12位ADC,可以在用户选择的节点上提供诊断测量,比如内部电源和接地、内部裸片温度监视器和内部基准电压源。
 
AD5758具有一个CHART引脚,HART®信号以电容耦合的方式连接到这个引脚。启用HART连接之后,HART信号会在VIOUT引脚显示。此功能仅在将VIOUT配置为输出电流时可用。
 
EMC性能
AD5758在所有可能连接至螺丝端子(VIOUT、+VSENSE和−VSENSE)的引脚上集成了线路保护装置。这些线路保护装置通过限制内部通过VDPC+和AVSS电轨的电压,保护这些引脚不受高达±38 V的正负电压影响。如果检测到VIOUT引脚上的电压超过此限制,则错误标志置位,可以通过SPI端口回读。
 
已经针对AD5758和ADP1031系统做过大量EMC测试。参考表1和表2查看测试结果汇总。
 
如何搞定功耗和空间,实现可靠又紧凑的隔离模拟输出模块?
表1. 电磁辐射骚扰性能概览
 
如何搞定功耗和空间,实现可靠又紧凑的隔离模拟输出模块?
表2. 电磁抗扰度性能概览
 
系统应用框图
 
如何搞定功耗和空间,实现可靠又紧凑的隔离模拟输出模块?
图4. 系统连接框图。
 
如何搞定功耗和空间,实现可靠又紧凑的隔离模拟输出模块?
图5. 8通道模块功耗与电源电压和负载。
 
结论
AD5758和ADP1031系统级解决方案支持实现可靠、紧凑的8通道(通道间隔离)模拟输出模块,在最坏的功耗条件下,所有8个通道都能实现出色的低功耗(低于2W)。
 
(来源:亚德诺半导体)
 
 
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