當(dāng)今典型的可編程邏輯控制器(PLC)包含許多模擬和數(shù)字輸出,，用來控制和監(jiān)視工業(yè)及生產(chǎn)過程。模塊化被廣泛采用,，并且在輸入和輸出(I/O)方面,，它涵蓋了模擬I/O和數(shù)字I/O的基本功能。模擬輸出提出了一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)（如圖1所示）,，因?yàn)樾枰诒姸嗖煌?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/負(fù)載" target="_blank">負(fù)載條件下提供高精度的有源驅(qū)動(dòng)設(shè)定值,。有源驅(qū)動(dòng)器級(jí)此時(shí)變得尤為重要；損耗應(yīng)盡量小,。

　　需要考慮的因素如下：

　　·連接的負(fù)載

　　·允許的最高環(huán)境溫度和內(nèi)部模塊溫度

　　·通道數(shù)和模塊尺寸

　　·電氣隔離接口

　　·精度

　　在過程自動(dòng)化中,，通常還需要在各個(gè)輸出通道之間建立電氣隔離。除此之外,，還有一些其他要求,，例如基于通道的診斷或?qū)ART?信號(hào)的支持。魯棒性和容錯(cuò)性也是必備條件,。

　　圖1.隔離式模擬輸出系統(tǒng)框圖,。

　　由于半導(dǎo)體的發(fā)展和混合信號(hào)工藝的不斷改進(jìn)，高集成密度的超小型電路成為可能,。模擬輸出通道的功能能夠被完整地集成到IC中。因此，AD5758在5 mm × 5 mm封裝尺寸內(nèi)集成了DAC和驅(qū)動(dòng)器的基本功能,，以及眾多其他模擬和邏輯功能,，例如用于診斷的ADC、智能電源管理,、基準(zhǔn)電壓源,、可防止反向和過壓的故障開關(guān)、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)寄存器以及SPI通信接口,。

　　AD5758（圖2）涵蓋了用于自動(dòng)化領(lǐng)域所有常見的輸出范圍：?jiǎn)螛O性0 V至10 V/0 mA至20 mA,、雙極性±10 V/±20 mA以及所有子范圍（例如用于過程自動(dòng)化的4 mA至20 mA）,。每種設(shè)置都提供20%的超量程范圍。這些值的輸出采用16位分辨率,。

　　圖2.AD5758的功能框圖,。

功率損耗大幅降低

　　什么性能使AD5758特別適合溫度和空間受限的應(yīng)用？損耗主要發(fā)生在帶有DC-DC轉(zhuǎn)換器和輸出驅(qū)動(dòng)器級(jí)的電源部分,。這正是智能電源管理的用武之地,。AD5758具有自適應(yīng)負(fù)載調(diào)整或動(dòng)態(tài)功率控制(DPC)功能。DPC在電流輸出模式下激活,，并控制驅(qū)動(dòng)特定負(fù)載所需的驅(qū)動(dòng)器級(jí)上的電壓,。根據(jù)工作條件，電流輸出的負(fù)載電壓(I × RLOAD)僅占電源電壓的一小部分,。電源電壓差必須事先以功率損耗的形式通過串聯(lián)晶體管加以耗散,。DPC現(xiàn)在將驅(qū)動(dòng)器電壓調(diào)節(jié)到比實(shí)際所需的負(fù)載電壓（為輸出晶體管保留裕量）高幾伏特，從而將損耗降至最低,。只有利用開關(guān)穩(wěn)壓器才能以這種方式進(jìn)行電壓的有效調(diào)節(jié),，而該器件已經(jīng)集成在AD5758中，并可根據(jù)負(fù)載進(jìn)行自動(dòng)控制,。即使在開關(guān)穩(wěn)壓器和上游電源中出現(xiàn)額外的損耗,，總體功率損耗的降低仍然非常明顯，尤其對(duì)于小負(fù)載電阻更是如此（見表1）,。這首先使小尺寸設(shè)計(jì)成為可能,，而且電路板也能保持良好的散熱。

表1.輸出電流I = 20 mA且固定電源電壓為24 V時(shí)的理論損耗（不考慮DC-DC的內(nèi)部功耗和效率）

降額設(shè)定嚴(yán)格的限制

　　降額定義為在規(guī)定邊界條件下的性能降低,，類似于功率半導(dǎo)體中的安全工作區(qū)(SOA),。由于前面提到的功率損耗和相關(guān)的冷卻問題，未采用DPC的輸出模塊受到更嚴(yán)格的熱限制,。如今,，信用卡大小的模塊上具有兩個(gè)或四個(gè)通道很常見。通常模塊的額定環(huán)境溫度最高為60°C,。但是,，在這些環(huán)境條件下，并非所有四個(gè)通道都可以驅(qū)動(dòng)非常小的負(fù)載,，因?yàn)樵谖床捎肈PC的四個(gè)通道中,，模塊中的功率損耗會(huì)達(dá)到3 W，產(chǎn)生的熱量會(huì)使元件快速達(dá)到其極限值,。通過熱降額（圖3）,，模塊制造商在較高的環(huán)境溫度下僅能使用四個(gè)可用通道中的一個(gè)或兩個(gè)，從而大大降低了可用性和通道成本性能,。

　　圖3.典型的降額曲線,。

　　由于AD5758具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能,，其功率損耗僅在很低程度上取決于負(fù)載電阻，對(duì)于0 kΩ至1 kΩ的負(fù)載,，其功率損耗始終保持在250 mW以下（表2）,。因此，根據(jù)輸出模塊的設(shè)計(jì),，將能實(shí)現(xiàn)八個(gè)隔離通道,，其總體功率損耗<2 W。5 mm × 5 mm LFCSP封裝的結(jié)至環(huán)境熱阻ΘJA為46 K/W,，在200 mW的功率損耗下溫升小于10°C,。AD5758的額定環(huán)境溫度可高達(dá)115°C。這為多通道模塊提供了很大的裕量,，無需降額,。

表2.I = 20 mA和電源 = 24 V時(shí)DPC工作模式下的功率測(cè)量值

電源優(yōu)化

　　電源電壓具有不同的要求：

　　·邏輯電壓：除了（工作模式取決于單極性或雙極性）驅(qū)動(dòng)器電源之外，AD5758輸出IC還需要一個(gè)3.3 V的邏輯電壓為內(nèi)部模塊供電,。這可以利用片內(nèi)LDO穩(wěn)壓器產(chǎn)生,；但是，為了提高效率并降低功率損耗,，建議使用開關(guān)穩(wěn)壓器。

　　·隔離式驅(qū)動(dòng)器電源：出于安全考慮,，PLC總線與I/O模塊之間始終保持電氣隔離,。圖1采用不同顏色顯示了這種隔離，其中包括邏輯（總線）端,、電源和現(xiàn)場(chǎng)端輸出的三種不同電位,。

　　因?yàn)橥ǔＴ陔娐钒迳弦矔?huì)對(duì)這三個(gè)部分進(jìn)行空間分隔，即輸出端朝向正面連接器端子設(shè)置,，而背板總線（顧名思義）位于背面,，所以將隔離、電源和輸出驅(qū)動(dòng)器集成到單芯片中并不明智,。

　　電源管理單元ADP1031（圖4）執(zhí)行所有功能,，并與AD5758搭配工作，能夠在更小的空間需求和功率損耗下實(shí)現(xiàn)隔離式輸出模塊的開發(fā)（圖5）,。

　　圖4.電源管理單元ADP1031,。

　　ADP1031在9 mm × 7 mm封裝尺寸內(nèi)集成了四個(gè)模塊：

　　·反激式轉(zhuǎn)換器，用于產(chǎn)生正隔離電源電壓VPOS,。

　　·反相器,，用于產(chǎn)生雙極性輸出所需的負(fù)電源VNEG。

　　·降壓型轉(zhuǎn)換器,，用于為AD5758的邏輯電路提供VLOG,。

　　·具有額外GPIO的隔離SPI數(shù)據(jù)接口,。

　　反激式轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)是效率高；僅需一個(gè)小尺寸的1:1變壓器,。反激式轉(zhuǎn)換器在第一級(jí)可產(chǎn)生高達(dá)28 V的隔離驅(qū)動(dòng)器電壓,。由此生成反相器和降壓型轉(zhuǎn)換器，它們共用相同的地電位,。

　　在電源管理單元的設(shè)計(jì)過程中,，ADI公司特別加強(qiáng)了電磁兼容性(EMC)和魯棒性。例如,，輸出電壓相移,，且反激式控制器的壓擺率可調(diào)。同時(shí)還為所有三個(gè)電壓添加了軟啟動(dòng),、過壓保護(hù)和電流限制功能,，以實(shí)現(xiàn)良好的測(cè)量。

　　隔離式SPI接口基于成熟的iCoupler?技術(shù),，可傳輸工作所需的所有控制信號(hào),。因此實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)路徑（四個(gè)通道）和較低速率的GPIO控制路徑（三個(gè)復(fù)用通道）之間的區(qū)分。潛在的應(yīng)用是通過共同的控制信號(hào)同步激活多通道模塊或多個(gè)模塊中的輸出,，回讀錯(cuò)誤標(biāo)志或觸發(fā)安全關(guān)斷,。

系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

　　AD5758和ADP1031的組合提供隔離式模擬輸出的完整功能，僅需兩個(gè)芯片,。尺寸約為13 mm × 25 mm,，通道空間要求更小，僅為目前解決方案的一半,。

　　除了節(jié)省空間以外,，關(guān)鍵功能的集成還使布局更簡(jiǎn)潔、電位便于分離并且硬件成本顯著降低,。ADI公司的8通道演示設(shè)計(jì)僅使用一塊六層板,，尺寸為77 mm × 86 mm（圖6）。

　　優(yōu)勢(shì)總結(jié)：

　　·通過功率損耗優(yōu)化,，使模塊更小且每個(gè)模塊具有更多通道

　　·無需降額,，允許更高的環(huán)境溫度

　　·減少硬件工作量，從而降低了成本

　　·輕松實(shí)現(xiàn)多通道模塊的可擴(kuò)展性

　　·可靠的設(shè)計(jì)和更多診斷功能

　　圖5.采用ADP1031和AD5758實(shí)現(xiàn)完整的4通道模擬輸出,。

　　圖6.隔離式8通道AO模塊,。

作者簡(jiǎn)介

Jürgen Schemel現(xiàn)任ADI公司現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，為自動(dòng)化,、工業(yè)4.0和狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域的工業(yè)戰(zhàn)略客戶提供支持,。他于1996年獲得奧芬堡應(yīng)用科學(xué)大學(xué)碩士學(xué)位。他最初就職于西門子,，從事工業(yè)應(yīng)用的通信技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì),。