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特殊的挑戰(zhàn)（如圖1所示）,，因為需要在眾多不同負(fù)載條件下提供高精度的有源驅(qū)動設(shè)定值。有源驅(qū)動器級此時變得尤為重要,；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

　　在過程自動化中，通常還需要在各個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?信號的支持,。魯棒性和容錯性也是必備條件,。

　　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）涵蓋了用于自動化領(lǐng)域所有常見的輸出范圍：單極性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)動器級的電源部分。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)動特定負(fù)載所需的驅(qū)動器級上的電壓,。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)動器電壓調(diào)節(jié)到比實際所需的負(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,，尤其對于小負(fù)載電阻更是如此（見表1）。這首先使小尺寸設(shè)計成為可能,，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或四個通道很常見,。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,，并非所有四個通道都可以驅(qū)動非常小的負(fù)載，因為在未采用DPC的四個通道中,，模塊中的功率損耗會達(dá)到3 W,，產(chǎn)生的熱量會使元件快速達(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可用通道中的一個或兩個,，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，將能實現(xiàn)八個隔離通道,，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DPC工作模式下的功率測量值

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)動器電源之外,，AD5758輸出IC還需要一個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)場端輸出的三種不同電位。

　　因為通常在電路板上也會對這三個部分進(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)勢是效率高,；僅需一個小尺寸的1:1變壓器。反激式轉(zhuǎn)換器在第一級可產(chǎn)生高達(dá)28 V的隔離驅(qū)動器電壓,。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)計過程中,，ADI公司特別加強了電磁兼容性(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),。同時還為所有三個電壓添加了軟啟動、過壓保護(hù)和電流限制功能,，以實現(xiàn)良好的測量,。

　　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,。因此實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)路徑（四個通道）和較低速率的GPIO控制路徑（三個復(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同步激活多通道模塊或多個模塊中的輸出，回讀錯誤標(biāo)志或觸發(fā)安全關(guān)斷,。

系統(tǒng)優(yōu)勢

　　AD5758和ADP1031的組合提供隔離式模擬輸出的完整功能,，僅需兩個芯片。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)計僅使用一塊六層板,，尺寸為77 mm × 86 mm（圖6）,。

　　優(yōu)勢總結(jié)：

　　·通過功率損耗優(yōu)化，使模塊更小且每個模塊具有更多通道

　　·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

　　·輕松實現(xiàn)多通道模塊的可擴(kuò)展性

　　·可靠的設(shè)計和更多診斷功能

　　圖5.采用ADP1031和AD5758實現(xiàn)完整的4通道模擬輸出。

　　圖6.隔離式8通道AO模塊,。

作者簡介

Jürgen Schemel現(xiàn)任ADI公司現(xiàn)場應(yīng)用工程師,，為自動化,、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。