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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(tǒng)應(yīng)用工程師 簡介 為可編程邏輯控制器(PLC)或分布式控制系統(tǒng)(DCS)模塊等過程控制應(yīng)用設(shè)計(jì)通道間隔離模擬輸出模塊時，主要權(quán)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(yù)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(tǒng)級解決方案 圖1所示為AD5758和ADP1031系統(tǒng)解決方案，它們解決了功耗和空間問題，支持實(shí)現(xiàn)更高水平的集成。本設(shè)計(jì)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(chǔ)的電源和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù) ADP1031采用了ADI獲得專利的i Coupler®技術(shù)，在7 mm × 9 mm大小的封裝內(nèi)集成3個隔離電源軌，以及SPI和GPIO數(shù)據(jù)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(nèi)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(tài)功率控制(DPC)技術(shù)，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(xù)跟蹤輸出電壓，將輸出驅(qū)動器的供電量降到最低，以保持輸出負(fù)載電流，上述這些都通過一個集成、可編程、高效率的降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。在電流輸出模式下，DPC啟用后，AD5758會自動調(diào)節(jié)DPC電壓，在所有負(fù)載條件下最小化功耗。 ADP1031的設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化之后，能在最壞的負(fù)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(guān)閉時則進(jìn)入低功耗狀態(tài)。
圖3.AD5758框圖。 隔離反激式變壓器 由于ADP1031集成了反激通道，導(dǎo)致反激式變壓器的設(shè)計(jì)得到簡化，因?yàn)樗恍枰獑蝹�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(guān)推薦使用的變壓器的列表，請參考ADP1031數(shù)據(jù)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(guān)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(jìn)的診斷功能，能夠快速檢測異常行為和故障。 錯誤標(biāo)志被存儲在兩個寄存器中：數(shù)字診斷結(jié)果寄存器和模擬診斷結(jié)果寄存器，分別用于片內(nèi)數(shù)字診斷和片內(nèi)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(jì)數(shù)器錯誤 u 校準(zhǔn)存儲器CRC錯誤 u 輸出過壓保護(hù) 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(nèi)部供電錯誤 u DPC錯誤 有關(guān)完整的診斷列表，請參考AD5758數(shù)據(jù)手冊。 AD5758還集成了一個12位ADC，可以在用戶選擇的節(jié)點(diǎn)上提供診斷測量，比如內(nèi)部電源和接地、內(nèi)部裸片溫度監(jiān)視器和內(nèi)部基準(zhǔn)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(hù)裝置。這些線路保護(hù)裝置通過限制內(nèi)部通過VDPC+和AVSS電軌的電壓，保護(hù)這些引腳不受高達(dá)±38 V的正負(fù)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(biāo)志置位，可以通過SPI端口回讀。 已經(jīng)針對AD5758和ADP1031系統(tǒng)做過大量EMC測試。參考表1和表2查看測試結(jié)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(tǒng)應(yīng)用框圖
圖4.系統(tǒng)連接框圖。
圖5.8通道模塊功耗與電源電壓和負(fù)載。 結(jié)論 AD5758和ADP1031系統(tǒng)級解決方案支持實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(yè)自動化技術(shù)部的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。他側(cè)重研究過程控制應(yīng)用。聯(lián)系方式：donal.osullivan@analog.com。 |
