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能夠設計出適合過程控制的高精度、高密度和隔離模擬輸出模塊的系統級方法

2020年03月16日 10:28 ? 次閱讀

作者:Donal O’Sullivan,ADI公司系統應用工程師

簡介

為可編程邏輯控制器(PLC)或分布式控制系統(DCS)模塊等過程控制應用設計通道間隔離模擬輸出模塊時,主要權衡因素通常是功耗和通道密度。隨著模塊尺寸縮小,通道密度增加,每個通道的功耗必須降低,以滿足模塊的最大功耗預算要求。更高的通道密度也意味著每個通道可用的PCB空間越少。

系統級解決方案

圖1所示為AD5758和ADP1031系統解決方案,它們解決了功耗和空間問題,支持實現更高水平的集成。本設計筆記顯示在制造單通道功耗低于2 W的8通道模塊時,如何讓其保持小尺寸。

能夠設計出適合過程控制的高精度、高密度和隔離模擬輸出模塊的系統級方法

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基礎的電源和數據隔離,AD5758則提供低功耗、高精度,可配置的電流或電壓輸出通道。

集成、隔離電源和數據

ADP1031采用了ADI獲得專利的i Coupler?技術,在7 mm × 9 mm大小的封裝內集成3個隔離電源軌,以及SPI和GPIO數據隔離。這種高度集成幫助解決了PCB空間占用問題,在較小的PCB空間內整合和滿足所有通道隔離要求。

能夠設計出適合過程控制的高精度、高密度和隔離模擬輸出模塊的系統級方法

圖2.ADP1031框圖。

低功耗

AD5758采用了動態功率控制(DPC)技術,在該器件被配置用于控制電流輸出時,在最壞的操作條件下,能夠幫助最小化模塊的功耗。它可以持續跟蹤輸出電壓,將輸出驅動器的供電量降到最低,以保持輸出負載電流,上述這些都通過一個集成、可編程、高效率的降壓轉換器實現。在電流輸出模式下,DPC啟用后,AD5758會自動調節DPC電壓,在所有負載條件下最小化功耗。

ADP1031的設計經過優化之后,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中集成的高速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。

能夠設計出適合過程控制的高精度、高密度和隔離模擬輸出模塊的系統級方法

圖3.AD5758框圖。

隔離反激式變壓器

由于ADP1031集成了反激通道,導致反激式變壓器的設計得到簡化,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。推薦ADP1031使用的變壓器的尺寸為8.6 mm × 8.26 mm,高度不到9.7 mm。有關推薦使用的變壓器的列表,請參考ADP1031數據手冊。

解決方案尺寸

高度集成使得每個隔離通道都能裝入大小不足400 mm2的雙面PCB中。這包括所有相關的無源組件和隔離間距。

支持診斷和HART連接的靈活的高精度通道

AD5758集成了先進的診斷功能,能夠快速檢測異常行為和故障。

錯誤標志被存儲在兩個寄存器中:數字診斷結果寄存器和模擬診斷結果寄存器,分別用于片內數字診斷和片內模擬診斷。一些重要診斷包括:

  • 看門狗定時器錯誤
  • SPI CRC錯誤
  • 無效的SPI訪問
  • SCLK計數器錯誤
  • 校準存儲器CRC錯誤
  • 輸出過壓保護
  • 電壓輸出短路錯誤 X 電流輸出開路錯誤
  • 過溫錯誤
  • 內部供電錯誤
  • DPC錯誤

有關完整的診斷列表,請參考AD5758數據手冊。

AD5758還集成了一個12位ADC,可以在用戶選擇的節點上提供診斷測量,比如內部電源和接地、內部裸片溫度監視器和內部基準電壓源。

AD5758具有一個CHART引腳,HART?信號以電容耦合的方式連接到這個引腳。啟用HART連接之后,HART信號會在VIOUT引腳顯示。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)的引腳上集成了線路保護裝置。這些線路保護裝置通過限制內部通過VDPC+和AVSS電軌的電壓,保護這些引腳不受高達±38 V的正負電壓影響。如果檢測到VIOUT引腳上的電壓超過此限制,則錯誤標志置位,可以通過SPI端口回讀。

已經針對AD5758和ADP1031系統做過大量EMC測試。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

表2.電磁抗擾度性能概覽

系統應用框圖

能夠設計出適合過程控制的高精度、高密度和隔離模擬輸出模塊的系統級方法

圖4.系統連接框圖。

能夠設計出適合過程控制的高精度、高密度和隔離模擬輸出模塊的系統級方法

圖5.8通道模塊功耗與電源電壓和負載。

結論

AD5758和ADP1031系統級解決方案支持實現可靠、緊湊的8通道(通道間隔離)模擬輸出模塊,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(低于2 W)。

作者簡介

Donal O’Sullivan是愛爾蘭利默里克ADI公司工業自動化技術部的系統應用工程師。他側重研究過程控制應用。

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