可設計出適合程序控制之高精度、高密度和隔離類比輸出模組的系統級方法
前言：
作者 : ADI工業自動化技術部系統應用工程師Donal O’Sullivan
簡介
針對可編程邏輯控制器(PLC)、或分散式控制系統(DCS)模組等程序控制應用設計通道間隔離類比輸出模組時，主要的權衡因素通常是功耗和通道密度。隨著模組尺寸縮小、通道密度增加，每個通道的功耗便必須降低以滿足模組的最大功耗預算要求。而更高的通道密度，也意味著每個通道可用的PCB空間相形越少。
針對可編程邏輯控制器(PLC)、或分散式控制系統(DCS)模組等程序控制應用設計通道間隔離類比輸出模組時，主要的權衡因素通常是功耗和通道密度。隨著模組尺寸縮小、通道密度增加，每個通道的功耗便必須降低以滿足模組的最大功耗預算要求。而更高的通道密度，也意味著每個通道可用的PCB空間相形越少。
系統級解決方案
圖1所示為AD5758和ADP1031系統解決方案，相關方案解決了功耗和空間問題，可支援實現更高度的整合。本文即將說明在製造單通道功耗低於2 W的8通道模組時如何讓其保持小尺寸。
圖1所示為AD5758和ADP1031系統解決方案，相關方案解決了功耗和空間問題，可支援實現更高度的整合。本文即將說明在製造單通道功耗低於2 W的8通道模組時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題，提供300 V基礎的電源和資料隔離，而AD5758則可提供低功耗、高精度，可配置之電流或電壓輸出通道。
整合、隔離電源和資料
ADP1031採用了ADI 專利的i Coupler®技術，在7 mm × 9 mm大小的封裝內整合3個隔離電源軌，以及SPI和GPIO資料隔離。這種高度整合協助解決了PCB空間佔用的問題，在較小的PCB空間內整合和滿足所有通道隔離要求。
ADP1031採用了ADI 專利的i Coupler®技術，在7 mm × 9 mm大小的封裝內整合3個隔離電源軌，以及SPI和GPIO資料隔離。這種高度整合協助解決了PCB空間佔用的問題，在較小的PCB空間內整合和滿足所有通道隔離要求。
圖2.ADP1031框圖。
低功耗
AD5758採用了動態功率控制(DPC)技術，在該元件被配置用於控制電流輸出時，在最壞的操作條件下，能夠説明最小化模組的功耗。它可以持續追蹤輸出電壓，將輸出驅動器的供電量降到最低，以保持輸出負載電流，上述這些均透過一個整合、可編程、高效率的降壓轉換器而得以實現。在電流輸出模式下，當DPC啟用後，AD5758會自動調節DPC電壓，在所有負載條件下最小化功耗。
AD5758採用了動態功率控制(DPC)技術，在該元件被配置用於控制電流輸出時，在最壞的操作條件下，能夠説明最小化模組的功耗。它可以持續追蹤輸出電壓，將輸出驅動器的供電量降到最低，以保持輸出負載電流，上述這些均透過一個整合、可編程、高效率的降壓轉換器而得以實現。在電流輸出模式下，當DPC啟用後，AD5758會自動調節DPC電壓，在所有負載條件下最小化功耗。
ADP1031的設計經過優化之後，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中整合的高速SPI通道在啟動時也可以降低功耗，在關閉時則進入低功耗狀態。
圖3.AD5758框圖。
隔離反馳式變壓器
由於ADP1031整合了反馳通道，使得反馳式變壓器的設計能獲得簡化，因為它只需要單個初級和次級繞組。這意味著變壓器的外形可以更小，同時仍能滿足效率和隔離要求。所推薦ADP1031使用的變壓器尺寸為8.6 mm × 8.26 mm，其高度不到9.7 mm。有關推薦使用的變壓器的列表請參考ADP1031產品資料手冊。
解決方案尺寸
高度整合使得每個隔離通道都能裝入大小不足400 mm2的雙面PCB中。這包括所有相關的被動元件和隔離間距。
高度整合使得每個隔離通道都能裝入大小不足400 mm2的雙面PCB中。這包括所有相關的被動元件和隔離間距。
支援診斷和HART連接的靈活高精度通道
AD5758整合了先進的診斷功能，能夠快速地檢測異常行為和故障。
AD5758整合了先進的診斷功能，能夠快速地檢測異常行為和故障。
錯誤標誌被儲存在兩個暫存器中：數位診斷結果暫存器和類比診斷結果暫存器分別可用於晶片內數位診斷和晶片內類比診斷。其中重要的診斷包括：
u 看門狗計時器錯誤
u SPI CRC錯誤
u 無效的SPI存取
u SCLK計數器錯誤
u 校準記憶體CRC錯誤
u 輸出過壓保護
u 電壓輸出短路錯誤 X 電流輸出開路錯誤
u 過溫度錯誤
u 內部供電錯誤
u DPC錯誤
有關完整的診斷清單，請參考AD5758產品資料手冊。
AD5758同時整合了一個12位元ADC，可在用戶選擇的節點上提供診斷測量，例如內部電源和接地、內部裸片溫度監視器和內部基準電壓源。
AD5758並具有一個CHART針腳，HART®訊號以電容耦合的方式連接到這個針腳。啟用HART連接之後，HART訊號會在VIOUT針腳顯示。此功能僅在將VIOUT配置為輸出電流時可用。
EMC性能
AD5758在所有可能連接至螺絲端子（VIOUT、+VSENSE和−VSENSE）的針腳上整合了線路保護裝置。這些線路保護裝置透過限制內部通過VDPC+和AVSS電軌的電壓來保護這些針腳不受高達±38 V的正負電壓影響。如果檢測到VIOUT針腳上的電壓超過此限制，則錯誤標誌會設置，並可透過SPI埠回讀。
AD5758在所有可能連接至螺絲端子（VIOUT、+VSENSE和−VSENSE）的針腳上整合了線路保護裝置。這些線路保護裝置透過限制內部通過VDPC+和AVSS電軌的電壓來保護這些針腳不受高達±38 V的正負電壓影響。如果檢測到VIOUT針腳上的電壓超過此限制，則錯誤標誌會設置，並可透過SPI埠回讀。
針對AD5758和ADP1031系統已經進行了大量的EMC測試。請參考表1和表2查看測試結果匯總。
表1.電磁輻射騷擾性能概覽
|
測試 |
基本標準 |
頻率範圍(MHz) |
限值 |
實測最小裕量(dBμV/m) |
結果 |
|
電磁輻射騷擾 |
CISPR 11， B類 |
30至1000 |
30 dBμV/m 30 MHz至230 MHz； 37 dBμV/m 230 MHz至1000 MHz |
9.25 |
通過 |
表2.電磁抗擾度性能概覽
|
測試 |
基本標準 |
測試級別 |
性能判據 |
結果 |
|
射頻場感應的傳導抗擾度 |
IEC 61000-4-6 |
10 V/m |
A |
通過 |
|
射頻電磁場輻射抗擾度 |
IEC 61000-4-3 |
10 V/m |
A |
通過 |
|
ESD |
IEC 61000-4-2 |
±6 kV接觸 |
B |
通過 |
|
ESD |
IEC 61000-4-2 |
±12 kV空氣 |
B |
通過 |
|
ESD |
IEC 61000-4-2 |
±30 kV耦合 |
B |
通過 |
|
EFT |
IEC 61000-4-4 |
±4 kV |
B |
通過 |
|
湧浪 |
IEC 61000-4-5 |
±4 kV |
B |
通過 |
圖4.系統連接框圖。
圖5.8通道模組功耗與電源電壓和負載。
結論
AD5758和ADP1031系統級解決方案支援實現可靠、精小的8通道（通道間隔離）類比輸出模組，在最壞的功耗條件下，所有8個通道都能實現出色的低功耗（低於2 W）。
AD5758和ADP1031系統級解決方案支援實現可靠、精小的8通道（通道間隔離）類比輸出模組，在最壞的功耗條件下，所有8個通道都能實現出色的低功耗（低於2 W）。
