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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(jiǎn)介 為可編程邏輯控制器(PLC)或分布式控制系統(DCS)模塊等過(guò)程控制應用設計通道間隔離模擬輸出模塊時(shí)，主要權衡因素通常是功耗和通道密度。隨著(zhù)模塊尺寸縮小，通道密度增加，每個(gè)通道的功耗必須降低，以滿(mǎn)足模塊的最大功耗預算要求。更高的通道密度也意味著(zhù)每個(gè)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(wèn)題，支持實(shí)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(shí)，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(wèn)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(zhuān)利的i Coupler®技術(shù)，在7 mm × 9 mm大小的封裝內集成3個(gè)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(wèn)題，在較小的PCB空間內整合和滿(mǎn)足所有通道隔離要求。
圖2.ADP1031框圖。 低功耗 AD5758采用了動(dòng)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(shí)，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(dòng)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(guò)一個(gè)集成、可編程、高效率的降壓轉換器實(shí)現。在電流輸出模式下，DPC啟用后，AD5758會(huì )自動(dòng)調節DPC電壓，在所有負載條件下最小化功耗。 ADP1031的設計經(jīng)過(guò)優(yōu)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(dòng)時(shí)也可以降低功耗，在關(guān)閉時(shí)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A(yíng)DP1031集成了反激通道，導致反激式變壓器的設計得到簡(jiǎn)化，因為它只需要單個(gè)初級和次級繞組。這意味著(zhù)變壓器的外形可以更小，同時(shí)仍能滿(mǎn)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數據手冊。 解決方案尺寸 高度集成使得每個(gè)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(wú)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。 錯誤標志被存儲在兩個(gè)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(mén)狗定時(shí)器錯誤 u SPI CRC錯誤 u 無(wú)效的SPI訪(fǎng)問(wèn) u SCLK計數器錯誤 u 校準存儲器CRC錯誤 u 輸出過(guò)壓保護 u 電壓輸出短路錯誤 X 電流輸出開(kāi)路錯誤 u 過(guò)溫錯誤 u 內部供電錯誤 u DPC錯誤 有關(guān)完整的診斷列表，請參考AD5758數據手冊。 AD5758還集成了一個(gè)12位ADC，可以在用戶(hù)選擇的節點(diǎn)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(gè)CHART引腳，HART®信號以電容耦合的方式連接到這個(gè)引腳。啟用HART連接之后，HART信號會(huì )在VIOUT引腳顯示。此功能僅在將VIOUT配置為輸出電流時(shí)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(xiàn)路保護裝置。這些線(xiàn)路保護裝置通過(guò)限制內部通過(guò)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(guò)此限制，則錯誤標志置位，可以通過(guò)SPI端口回讀。 已經(jīng)針對AD5758和ADP1031系統做過(guò)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(shí)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(gè)通道都能實(shí)現出色的低功耗（低于2 W）。 作者簡(jiǎn)介 Donal O’Sullivan是愛(ài)爾蘭利默里克ADI公司工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)部的系統應用工程師。他側重研究過(guò)程控制應用。聯(lián)系方式：donal.osullivan@analog.com。 |
