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System-Level Approach Enables the Design of Precision, High Density, Isolated Analog Output Module for Process Control 作者：Donal O’Sullivan，ADI公司系統應用工程師 簡介 為可編程邏輯控制器(PLC)或分布式控制系統(DCS)模塊等過程控制應用設計通道間隔離模擬輸出模塊時，主要權衡因素通常是功耗和通道密度。隨著模塊尺寸縮小，通道密度增加，每個通道的功耗必須降低，以滿足模塊的最大功耗預算要求。更高的通道密度也意味著每個通道可用的PCB空間越少。 系統級解決方案 圖1所示為AD5758和ADP1031系統解決方案，它們解決了功耗和空間問題，支持實現更高水平的集成。本設計筆記顯示在制造單通道功耗低于2 W的8通道模塊時，如何讓其保持小尺寸。 
圖1.AD5758和ADP1031 8通道電路板。 ADP1031解決了隔離和尺寸問題，提供300 V基礎的電源和數據隔離，AD5758則提供低功耗、高精度，可配置的電流或電壓輸出通道。 集成、隔離電源和數據 ADP1031采用了ADI獲得專利的i Coupler®技術，在7 mm × 9 mm大小的封裝內集成3個隔離電源軌，以及SPI和GPIO數據隔離。這種高度集成幫助解決了PCB空間占用問題，在較小的PCB空間內整合和滿足所有通道隔離要求。 
圖2.ADP1031框圖。 低功耗 AD5758采用了動態功率控制(DPC)技術，在該器件被配置用于控制電流輸出時，在最壞的操作條件下，能夠幫助最小化模塊的功耗。它可以持續跟蹤輸出電壓，將輸出驅動器的供電量降到最低，以保持輸出負載電流，上述這些都通過一個集成、可編程、高效率的降壓轉換器實現。在電流輸出模式下，DPC啟用后，AD5758會自動調節DPC電壓，在所有負載條件下最小化功耗。 ADP1031的設計經過優化之后，能在最壞的負載條件下為AD5758提供高效的隔離電流，以此最小化總通道功耗。ADP1031中集成的高速SPI通道在啟動時也可以降低功耗，在關閉時則進入低功耗狀態。
圖3.AD5758框圖。 隔離反激式變壓器 由于ADP1031集成了反激通道，導致反激式變壓器的設計得到簡化，因為它只需要單個初級和次級繞組。這意味著變壓器的外形可以更小，同時仍能滿足效率和隔離要求。推薦ADP1031使用的變壓器的尺寸為8.6 mm × 8.26 mm，高度不到9.7 mm。有關推薦使用的變壓器的列表，請參考ADP1031數據手冊。 解決方案尺寸 高度集成使得每個隔離通道都能裝入大小不足400 mm2的雙面PCB中。這包括所有相關的無源組件和隔離間距。 支持診斷和HART連接的靈活的高精度通道 AD5758集成了先進的診斷功能，能夠快速檢測異常行為和故障。 錯誤標志被存儲在兩個寄存器中：數字診斷結果寄存器和模擬診斷結果寄存器，分別用于片內數字診斷和片內模擬診斷。一些重要診斷包括： u 看門狗定時器錯誤 u SPI CRC錯誤 u 無效的SPI訪問 u SCLK計數器錯誤 u 校準存儲器CRC錯誤 u 輸出過壓保護 u 電壓輸出短路錯誤 X 電流輸出開路錯誤 u 過溫錯誤 u 內部供電錯誤 u DPC錯誤 有關完整的診斷列表，請參考AD5758數據手冊。 AD5758還集成了一個12位ADC，可以在用戶選擇的節點上提供診斷測量，比如內部電源和接地、內部裸片溫度監視器和內部基準電壓源。 AD5758具有一個CHART引腳，HART®信號以電容耦合的方式連接到這個引腳。啟用HART連接之后，HART信號會在VIOUT引腳顯示。此功能僅在將VIOUT配置為輸出電流時可用。 EMC性能 AD5758在所有可能連接至螺絲端子（VIOUT、+VSENSE和−VSENSE）的引腳上集成了線路保護裝置。這些線路保護裝置通過限制內部通過VDPC+和AVSS電軌的電壓，保護這些引腳不受高達±38 V的正負電壓影響。如果檢測到VIOUT引腳上的電壓超過此限制，則錯誤標志置位，可以通過SPI端口回讀。 已經針對AD5758和ADP1031系統做過大量EMC測試。參考表1和表2查看測試結果匯總。 表1.電磁輻射騷擾性能概覽
表2.電磁抗擾度性能概覽
系統應用框圖
圖4.系統連接框圖。
圖5.8通道模塊功耗與電源電壓和負載。 結論 AD5758和ADP1031系統級解決方案支持實現可靠、緊湊的8通道（通道間隔離）模擬輸出模塊，在最壞的功耗條件下，所有8個通道都能實現出色的低功耗（低于2 W）。 作者簡介 Donal O’Sullivan是愛爾蘭利默里克ADI公司工業自動化技術部的系統應用工程師。他側重研究過程控制應用。聯系方式：donal.osullivan@analog.com。 |
