簡化隔離式軟件可配置I/O通道設計的高集成度、系統級方法

2022-12-28 12:02:10 來源: 電子創新網

作者：ADI應用工程師Valerie Hamilton

為過程控制、工廠自動化、樓宇控制系統等工業應用設計系統級隔離式I/O解決方案時，有許多方面需要考慮，其中包括功耗、數據隔離和外形尺寸。圖1顯示了系統解決方案，其在隔離式單通道軟件可配置I/O解決方案中使用AD74115H和ADP1034，解決了電源、隔離和面積挑戰。通過將ADP1034的電源和數據隔離功能與AD74115H的軟件可配置能力相結合，可以僅使用兩個IC和非常少的外部電路來設計一個隔離式單通道I/O系統。

圖1.ADP1034和AD74115H電路圖

(相關資料圖)

系統級解決方案

ADP1034是一款高性能隔離式電源管理單元，包含一個隔離反激式穩壓器、一個反相降壓升壓調節器和一個降壓調節器，提供三個隔離式電源軌并集成了七個低功耗數字隔離器。ADP1034還具有可編程功率控制(PPC)功能，可通過單線接口按需調整V_OUT1上的電壓。V_OUT1為AD74115H AV_DD電源軌提供6V至28V的電壓。V_OUT2為AD74115H電源軌AV_CC和DV_CC提供5V電壓。如需要，它還能為外部基準電壓源提供電源電壓。V_OUT3為AD74115H AV_SS電源軌提供-5V至-24V的電壓。

功耗和優化

設計通道間隔離模塊時，主要的權衡通常是在功耗和通道密度之間。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。在這種情況下，模塊是指ADP1034和AD74115H，當它們共同使用時，可提供隔離電源、數據隔離和軟件可配置I/O功能。

AD74115H和ADP1034之所以成為出色的低功耗解決方案，原因在于集成PPC功能的引入。PPC使用戶能夠按照需求調整V_OUT1電壓（AD74115H AV_DD電源電壓）。這種方法可以大大降低模塊在低負載條件下的功耗，特別是在電流輸出模式下。

使用PPC功能時，系統中的主機控制器通過SPI向AD74115H發送所需的電壓代碼，該代碼隨后通過單線串行接口(OWSI)傳遞至ADP1034。OWSI實現了CRC校驗功能，非常穩健，可抵抗惡劣工業環境中可能存在的EMC干擾。

查看功耗計算示例可知，如果AV_DD= 24V且負載為250Ω，則對于20mA的電流輸出，模塊總功耗為748mW。當使用PPC將AV_DD電壓降至8.6V（負載電壓+裕量）時，模塊功耗約為348mW。這表明模塊內節省了400mW的功耗。

功耗計算示例

示例1和示例2選擇了電流輸出用例，驅動20mA輸出。負載為250Ω，使能ADC，以每秒20個樣本轉換默認測量配置。

示例1（無PPC）：

AD74115H輸出功率 = (AV_DD= 24V) × 20mA = 480mW

AD74115H輸入功率 = AD74115H_QUIESCENT(206mW) + ADC功耗(30mW) + 480mW = 716mW

模塊輸入功率 = 716mW + ADP1034功耗(132mW) = 848mW

負載功耗 = 20mA²× 250? = 100mW

模塊總功耗 =（模塊輸入功率 - 負載功耗）= 748mW

在示例2中可以看到，當使能PPC功能以將AV_DD降低到所需電壓(20mA × 250Ω) + 3.6V裕量 = 8.6V時，模塊的功耗降至348mW。

示例2（使能PPC）：

AD74115H輸出功率 = (AV_DD= 8.6V) × 20mA = 172mW

AD74115H輸入功率 = AD74115H_QUIESCENT(136mW) + ADC功耗(30mW) + 172mW = 338mW

模塊輸入功率 = 338mW + ADP1034功耗(100mW) = 448mW

負載功耗 = 20mA²× 250? = 100mW

模塊總功耗 =（模塊輸入功率 - 負載功耗）= 348mW

圖2顯示了AD74115H應用板上在25°C時的實測功耗。測量結果表明，功耗略低于計算的功耗。此結果會因器件而略有不同。

圖2.測量數據：驅動20mA到250Ω負載，AV_DD= 24V，AV_DD= 8.6V（使用PPC）

圖3顯示了使用PPC的模塊（ADP1034和AD74115）功耗（針對每個負載電阻值設置優化的AV_DD）與不同負載電阻值的關系。兩個不同的電壓被施加于ADP1034的VINP（15V和24V），以顯示ADP1034的效率。測量是在25°C下進行。

圖3.20mA輸出時功耗與R_LOAD的關系

圖4顯示了不同溫度下使用PPC的功耗（針對每個負載電阻值設置優化的AV_DD）與不同負載電阻值的關系。

圖4.功耗與溫度的關系

表1.使用PPC的AD74115H典型用例功耗

VINP (V)	AV_DD 電壓 (V)	用例	負載	功耗(mW)
24	8.6	電流輸出	250?	322
24	18	電壓輸入	N/A	250
24	18	電流輸入外部供電	24mA	HART使能	HART禁用
				422	334
24	18	電流輸入環路通過HART^?供電	24mA	456
24	16.5	電壓輸出雙極性12V范圍	1k?	ZS碼	FS碼
				345	333
24	18	2線RTD	250?	260
24	18	3線RTD	250?	295
24	18	4線RTD	250?	268
24	18	數字輸入邏輯	2.4mA灌電流	297
24	18	數字輸入環路供電	250?	667
24	12	數字輸出內部	12V繼電器~278Ω線圈電阻	拉電流	灌電流
				265	295

數字輸出用例

在工業應用中，數字輸出被認為是最耗電的使用場景。AD74115H支持內部和外部拉電流與灌電流數字輸出。ADP1034可為內部數字輸出功能提供足夠的功率，支持最高100mA的連續拉電流或灌電流。在這種情況下，數字輸出電路電源DO_V_DD直接連接到AV_DD。對于100mA以上的電流，必須使用外部數字輸出功能，這需要將額外的電源連接到DO_V_DD。

內部數字輸出用例超時

為了支持在初始上電時對容性負載充電，可以在使用內部數字輸出用例的同時，使能更高的短路限流值(~280mA)，使能的時間T1可編程。經過T1時間后，部署第二短路限流值(~140mA)。這是一個較低的限流值，在可編程的持續時間T2內有效。在這些短路情況下，系統需要更多電流，因此必須注意確保ADP1034 V_OUT1電壓不會驟降。為確保無驟降，如果需要24V DO_V_DD，建議將24V電壓作為ADP1034的系統電源電壓。這是24V繼電器的典型電壓需求。對于12V繼電器，建議使用至少18V的系統電源電壓(ADP1034 V_INP)，以確保可以為負載提供足夠的電流。

圖5和圖6顯示了DO_V_DD與T1和T2短路限值的關系，證明了使用ADP1034提供大電流的穩定性。

圖5.系統電源= 24V，DO_V_DD電壓= 24V

圖6.系統電源= 24V，DO_V_DD電壓= 12V

數據隔離和解決方案尺寸

ADP1034采用ADI的iCoupler^?專利技術，在7mm × 9mm封裝中集成了三個隔離電源軌，包括SPI數據和三個GPIO隔離通道。這種高集成度將所有通道隔離要求整合到PCB上的一個小區域中，有助于解決PCB面積挑戰，而且實現了省電。當通道不使用時，ADP1034的控制器端將其他SPI隔離器通道置于低功耗狀態。這意味著通道僅在需要時才處于活動狀態。三個隔離GPIO通道用于隔離AD74115H的引腳，從而滿足AD74115H的所有隔離要求，而無需增加額外的隔離器IC成本。

結語

設計一種低功耗、小尺寸的通道間隔離I/O解決方案，哪怕是對于業內一些經驗十分豐富的設計人員而言，也可能是一項挑戰。ADP1034和AD74115H系統級解決方案通過高集成度和系統級設計方法有效化解了此挑戰。由單個IC從單個系統電源提供三個隔離電源軌，并提供集成數據隔離，這使得BOM成本大幅降低。再加上AD74115H的靈活性，該系統設計將能滿足大多數I/O工業應用的要求。

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

關于作者

Valerie Hamilton目前在ADI愛爾蘭公司擔任產品應用工程師。她于2014年7月畢業于高威梅雅理工學院，獲工程學學士學位，隨即加入ADI公司。Valerie主要關注工業I/O產品，包括軟件可配置I/O和數模轉換器。

關鍵詞：數字輸出解決方案輸入功率工業應用電源電壓

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