一文掌握设计适合过程控制的高精度、高密度和隔离模拟输出模块的系统级方法

2022-12-10

作者： Donal O’Sullivan，系统应用工程师，ADI

为可编程逻辑控制器(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。本文显示了在制造单通道功耗低于2W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300V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7mm × 9mm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

l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8.6mm × 8.26mm，高度不到9.7mm。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400mm²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。错误标志会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±38V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。
目前已经针对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

测试	基本标准	频率范围(MHz)	限值	实测最小裕量(dBμV/m)	结果
电磁辐射骚扰	CISPR 11，B类	30至1000	30dBμV/m 30MHz至230MHz； 37dBμV/m 230MHz至1000MHz	9.25	通过

表2.电磁抗扰度性能概览

测试	基本标准	测试级别	性能判据	结果
射频场感应的传导抗扰度	IEC 61000-4-6	10V/m	A	通过
射频电磁场辐射抗扰度	IEC 61000-4-3	10V/m	A	通过
ESD	IEC 61000-4-2	±6kV接触	B	通过
ESD	IEC 61000-4-2	±12kV空气	B	通过
ESD	IEC 61000-4-2	±30kV耦合	B	通过
EFT	IEC 61000-4-4	±4kV	B	通过
浪涌	IEC 61000-4-5	±4kV	B	通过