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。本设计笔记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。

 

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 i Coupler®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。

 

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。

 

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。

 

图 3.AD5758 框图。

 

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 X 电流输出开路错误

 

  • 过温错误

 

  • 内部供电错误

 

  • DPC 错误

 

有关完整的诊断列表,请参考 AD5758 数据手册。

 

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。

 

表 1. 电磁辐射骚扰性能概览 

 


表 2. 电磁抗扰度性能概览

 


系统应用框图

 

图 4. 系统连接框图。

 

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 2 W)。