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Precision Solutions with Protection and Robustness for Analog Outputs in Process Control 作者：ADI 公司 | David Forde - 應用工程師 Claire Croke - 應用工程師 Jean McAdam - 戰略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 工業(yè)過(guò)程需要對執行器進(jìn)行精準而穩健的控制，以便管理流量、溫度和壓力等過(guò)程參數。精密模擬輸出模塊，即所謂可編程邏輯控制器(PLC)或分布式控制系統(DCS)，可產(chǎn)生用于控制此類(lèi)執行器的電壓或電流輸出。這些模塊需要在惡劣的工業(yè)環(huán)境中提供穩定、可靠、精確的輸出。 ADI公司的單通道16位I/V輸出DACAD5423和過(guò)壓保護SPST開(kāi)關(guān)ADG5401F的組合，符合此類(lèi)控制需求，能夠滿(mǎn)足模擬輸出模塊的要求。 精密 精密是AD5423的一個(gè)主要特性。在電壓輸出模式下，25°C時(shí)的TUE低至±0.01％（整個(gè)溫度范圍為±0.05％），典型輸出漂移為0.35 ppm FSR/°C。在電流輸出模式下，25°C時(shí)的TUE也是±0.01％，典型輸出漂移為2 ppm FSR/°C。所有輸出模式下的差分非線(xiàn)性(DNL)為±1 LSB，保證單調性。 精密開(kāi)關(guān)ADG5401F的導通電阻(RON)為6Ω，集成了輔助反饋通道，用于將通道IOUT/VOUT連接至AD5423的+VSENSE輸入，這樣就消除了任何與ADG5401F導通電阻變化相關(guān)的誤差。ADG5401F在整個(gè)溫度范圍內的最大導通漏電流為40 nA。對于16位4 mA至20 mA電流輸出DAC，此漏電流不足1 LSB，輸出信號鏈的精度不受影響，動(dòng)態(tài)范圍可最大化。 穩健 ADG5401F過(guò)壓保護SPST開(kāi)關(guān)用在A(yíng)D5423 DAC的模擬輸出上，在通電和無(wú)電狀態(tài)下均能提供過(guò)壓保護。ADG5401F的源極(S)和源反饋(SFB)引腳可承受最高±60 V的過(guò)壓。 這將保護精密模擬輸出節點(diǎn)不會(huì )因為系統掉電、接線(xiàn)錯誤、電源時(shí)序等問(wèn)題而損壞。圖1詳細顯示了模擬輸出模塊中應如何連接AD5423和ADG5401F。 
圖1.AD5423和ADG5401F配置 ADG5401F電源設置過(guò)壓故障閾值，如果源極引腳（S或SFB）上的電壓超過(guò)ADG5401F電源電壓，則認為發(fā)生故障，主開(kāi)關(guān)通道和輔助反饋通道將自動(dòng)斷開(kāi)。 當開(kāi)關(guān)通道在故障期間斷開(kāi)時(shí)，任何大的故障電流都會(huì )被禁止流回DAC輸出和系統電源。在過(guò)壓事件期間沒(méi)有大的故障電流流動(dòng)，因此系統功耗不再受故障功耗約束，系統電源所需的設計工作量得以減少。ADG5401F允許系統移除輸出信號路徑中的限流電阻，該電阻在某些應用中可能引起負載裕量問(wèn)題。 ADG5401F集成一個(gè)防開(kāi)環(huán)開(kāi)關(guān)。如果VOUT/IOUT節點(diǎn)遭受過(guò)壓信號，ADG5401F將啟動(dòng)過(guò)壓保護模式，主通道和輔助反饋通道開(kāi)關(guān)均會(huì )斷開(kāi)。與此同時(shí)，內部防開(kāi)環(huán)開(kāi)關(guān)（D和DFB之間的內部連接）將閉合。該防開(kāi)環(huán)開(kāi)關(guān)使DAC輸出反饋環(huán)路保持完整，并防止DAC將輸出鉗位到電源軌。 為實(shí)現高壓瞬變保護，例如IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4電快速瞬變脈沖群(EFT)和IEC 61000-4-5浪涌，應使用分立電阻和瞬變電壓抑制(TVS)器件實(shí)施類(lèi)似圖2所示的電路。將電阻放在系統的反饋環(huán)路內，使電阻不會(huì )給系統輸出增加任何誤差。
圖2.ADG5401F電路圖 表1.高壓瞬變保護
診斷 AD5423內置一個(gè)12位內部診斷ADC，可以提供關(guān)于用戶(hù)可選輸入（例如電源、地、內部裸片溫度和基準電壓源）的診斷信息。 片內診斷寄存器包含用于指示各種故障情況的標志，以及因為任何故障而觸發(fā)的FAULT引腳。電壓輸出模式下會(huì )監視短路檢測，電流輸出模式下會(huì )監視開(kāi)路檢測。AD5423還提供循環(huán)冗余校驗(CRC)，可對接收到的數據進(jìn)行校驗；如果當前數據包看起來(lái)不正確，則觸發(fā)FAULT引腳。它還提供溫度監控功能，如果芯片溫度超過(guò)設定的限值，就會(huì )記錄故障。
圖3.AD5423功能框圖 結論 AD5423和ADG5401F相互配合，共同提供工業(yè)過(guò)程應用所需的精密性和穩健性。AD5423的16位I/V輸出可提供現代模擬輸出模塊所需的精確控制信號，而ADG5401F則能保持該精度，并在惡劣環(huán)境中提供強大的保護以防止外部影響造成系統失效或者精度降低。 作者簡(jiǎn)介 David Forde于2006年畢業(yè)于卡羅理工學(xué)院，獲集成電路設計專(zhuān)業(yè)理學(xué)學(xué)士學(xué)位，畢業(yè)后即加盟ADI公司，任布局工程師。2011年，他畢業(yè)于利默里克大學(xué)，獲VLSI系統專(zhuān)業(yè)工程碩士學(xué)位；2015年，他加盟儀器儀表與精密技術(shù)事業(yè)部，任應用工程師，為模擬開(kāi)關(guān)和多路復用產(chǎn)品系列提供支持。聯(lián)系方式：david.forde@analog.com。 Claire Croke于1999年加入ADI公司，目前在愛(ài)爾蘭精密開(kāi)關(guān)和多路復用器部門(mén)擔任營(yíng)銷(xiāo)工程師。Claire之前在A(yíng)DI公司精密轉換器應用團隊工作。她畢業(yè)于愛(ài)爾蘭利默里克大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：claire.croke@analog.com。 Jean McAdam是ADI公司過(guò)程控制和自動(dòng)化戰略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理。在此之前，她負責ADI平臺客戶(hù)評估解決方案的營(yíng)銷(xiāo)活動(dòng)，并擔任軟件系統工程師兼軟件開(kāi)發(fā)人員。她畢業(yè)于利默里克大學(xué)，獲電子和計算機工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：jean.mcadam@analog.com。 |
