高度集成的系統(tǒng)級(jí)方法可簡(jiǎn)化隔離式軟件可配置I/O通道的設(shè)計(jì)

本文介紹一款軟件可配置輸入/輸出（I/O）器件及其專用隔離電源和數(shù)據(jù)解決方案，有助于解決系統(tǒng)級(jí)工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文介紹了設(shè)計(jì)單個(gè)IC時(shí)系統(tǒng)級(jí)思維的優(yōu)勢(shì)，并重點(diǎn)介紹所提出的解決方案的功耗優(yōu)化功能。

介紹

在為工業(yè)應(yīng)用（如過程控制、工廠自動(dòng)化或樓宇控制系統(tǒng)）設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)隔離式I/O解決方案時(shí)，需要考慮許多方面。其中包括功耗、數(shù)據(jù)隔離和外形尺寸。圖1所示為在隔離式單通道軟件可配置I/O解決方案中使用AD74115H和ADP1034解決功耗、隔離和面積挑戰(zhàn)的系統(tǒng)解決方案。通過將ADP1034的電源和數(shù)據(jù)隔離與AD74115H的軟件可配置性相結(jié)合，只需使用兩個(gè)IC和最少的外部電路即可設(shè)計(jì)隔離式單通道I/O系統(tǒng)。

系統(tǒng)級(jí)解決方案

ADP1034是一款高性能隔離式電源管理單元，集成了隔離式反激式穩(wěn)壓器、反相降壓升壓穩(wěn)壓器和降壓穩(wěn)壓器，提供三個(gè)隔離電源軌，并集成七個(gè)低功耗數(shù)字隔離器。ADP1034還具有可編程功率控制（PPC）功能，用于調(diào)節(jié)V上的電壓輸出1通過單線接口按需提供。V輸出1為AD74115H AV提供6 V至28 V電壓DD電源軌。V輸出2為AD74115H電源軌AV提供5 V抄送和DV抄送.如果需要，它還可以為外部基準(zhǔn)提供電源電壓。V出3為AD74115H AV提供–5 V至–24 V電壓黨衛(wèi)軍電源軌。

功耗和優(yōu)化

在設(shè)計(jì)通道間隔離模塊時(shí)，主要權(quán)衡因素通常是功耗和通道密度。隨著模塊尺寸的縮小和通道密度的增加，每個(gè)通道的功耗必須降低，以適應(yīng)模塊的最大功耗預(yù)算。在這種情況下，該模塊定義為ADP1034和AD74115H，它們組合在一起可提供隔離電源、數(shù)據(jù)隔離和軟件可配置I/O功能。

AD74115H和ADP1034之所以成為最佳的低功耗解決方案，是因?yàn)樗肓思蒔PC功能。PPC使用戶能夠調(diào)整V輸出1電壓 （AD74115H AVDD電源電壓）按需提供。這種方法可最大限度地降低低負(fù)載條件下模塊的功耗，特別是在電流輸出模式下。

使用PPC功能時(shí)，系統(tǒng)中的主控制器通過SPI將所需的電壓代碼發(fā)送到AD74115H，然后通過單線串行接口（OWSI）傳遞給ADP1034。OWSI已實(shí)施CRC，以提供針對(duì)惡劣工業(yè)環(huán)境中可能存在的EMC干擾的魯棒性。

如果我們看一下示例功耗計(jì)算，我們可以看到，如果AVDD= 24 V，負(fù)載為250 Ω，對(duì)于20 mA的電流輸出，模塊中總共將耗散748 mW。當(dāng)我們使用PPC丟棄AV時(shí)DD電壓為 8.6 V（負(fù)載電壓 + 裕量），模塊中耗散的功率為 ~348 mW。這表明模塊內(nèi)節(jié)能400 mW。

功耗計(jì)算示例

在示例1和示例2中，選擇電流輸出用例并驅(qū)動(dòng)20 mA輸出。負(fù)載為 250 Ω，ADC 使能，并以每秒 20 個(gè)樣本的速度轉(zhuǎn)換默認(rèn)測(cè)量配置。

圖1.ADP1034和AD74115H電路圖

示例 1（無 PPC）：

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

AD74115H 輸入功率 = AD74115H靜態(tài)（206 mW） + ADC 功率 （30 mW） + 480 mW = 716 mW

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

負(fù)載功率 = 20 mA2× 250 Ω = 100 mW

總模塊功率 =（模塊輸入功率 – 負(fù)載功率）= 748 mW

在示例 2 中，我們可以看到，當(dāng)啟用 PPC 功能以減少 AVDD到所需電壓 （20 mA × 250 Ω） + 3.6 V裕量= 8.6 V，則模塊中的功耗降至348 mW。

示例 2（啟用 PPC）：

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

AD74115H 輸入功率 = AD74115H靜態(tài)（136 mW） + ADC 功率 （30 mW） + 172 mW = 338 mW

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

負(fù)載功率 = 20 mA2× 250 Ω = 100 mW

總模塊功率 =（模塊輸入功率 – 負(fù)載功率）= 348 mW

圖2顯示了AD74115H應(yīng)用板在25°C下測(cè)得的功耗。 測(cè)量顯示功耗略低于計(jì)算的功耗。這將因設(shè)備而異。

圖2.測(cè)量數(shù)據(jù) 20 mA 至 250 Ω負(fù)載，AVDD= 24 V，AVDD= 8.6 V（使用PPC）。

圖3顯示了使用PPC（優(yōu)化AVDD針對(duì)每個(gè)負(fù)載電阻值進(jìn)行編程）與不同的負(fù)載電阻值。對(duì)V施加兩種不同的電壓INP來顯示ADP1034（15 V和24 V）的效率。測(cè)量在25°C下進(jìn)行。

圖3.功耗與R的比較負(fù)荷在 20 mA 輸出時(shí)。

圖4顯示了使用PPC（優(yōu)化的AVDD針對(duì)每個(gè)負(fù)載電阻值進(jìn)行編程）與溫度范圍內(nèi)的不同負(fù)載電阻值。

圖4.功耗與溫度的關(guān)系

表 1.AD74115H 采用PPC的典型功耗用例

數(shù)字輸出用例

在工業(yè)應(yīng)用中，數(shù)字輸出被認(rèn)為是對(duì)功耗要求最高的用例。AD74115H支持內(nèi)部和外部拉電流和灌電流數(shù)字輸出。ADP1034可以為內(nèi)部數(shù)字輸出功能提供足夠的電源，能夠源出或吸收高達(dá)100 mA的連續(xù)電流。在這種情況下，數(shù)字輸出電路DO_VDD直接連接到 AVDD.對(duì)于高于100 mA的電流，必須使用外部數(shù)字輸出功能，這需要額外的電源連接到DO_VDD.

內(nèi)部數(shù)字輸出用例超時(shí)

為了支持在初始上電時(shí)對(duì)容性負(fù)載充電，可以在使用內(nèi)部數(shù)字輸出用例時(shí)，在可編程時(shí)間T1內(nèi)啟用更高的短路電流限值（~280 mA）。T1時(shí)間過后，將部署第二個(gè)短路限值（~140 mA）。這是一個(gè)較低的電流限值，在可編程的持續(xù)時(shí)間T2內(nèi)處于活動(dòng)狀態(tài)。由于在這些短路條件下需要更多電流，因此必須注意確保ADP1034 V輸出1電壓不會(huì)下降。為確保沒有驟降，建議使用24 V電壓作為ADP1034的系統(tǒng)電源電壓，以滿足所需的DO_VDD的 24 V。這是 24 V 繼電器的典型所需電壓。對(duì)于12 V繼電器，最小系統(tǒng)電源電壓（ADP1034 VINP） 的建議為 18 V，以確保為負(fù)載提供足夠的電流。

圖 5 和圖 6 顯示了DO_VDD與T1和T2短路限值相比，證明了ADP1034提供高電流的穩(wěn)定性。

圖5.系統(tǒng)電源 = 24 V，DO_VDD電壓 = 24 V。

圖6.系統(tǒng)電源 = 24 V，DO_VDD電壓 = 12 V。

數(shù)據(jù)隔離和解決方案大小

ADP1034采用ADI公司的專利i耦合器技術(shù)，在7 mm×9 mm封裝中集成了三個(gè)隔離電源軌，包括SPI數(shù)據(jù)和三個(gè)GPIO隔離通道。這種高集成度有助于解決PCB空間挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼘⑺型ǖ栏綦x要求整合到PCB上的一個(gè)小區(qū)域內(nèi)。還實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。當(dāng)其他SPI隔離器通道不使用時(shí)，ADP1034上的控制器側(cè)將其他SPI隔離器通道置于低功耗狀態(tài)。這意味著通道僅在需要時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)。三個(gè)隔離式GPIO通道用于隔離AD74115H的復(fù)位、警報(bào)和ADC_RDY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(jié)論

對(duì)于業(yè)內(nèi)一些最有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員來說，設(shè)計(jì)低功耗、小尺寸通道間隔離I/O解決方案可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。ADP1034和AD74115H系統(tǒng)級(jí)解決方案采用高集成度和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)化了挑戰(zhàn)。單個(gè)IC通過單個(gè)系統(tǒng)電源提供三個(gè)隔離電源軌，并集成數(shù)據(jù)隔離，因此BOM成本顯著降低。結(jié)合AD74115H的靈活性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可滿足大多數(shù)I/O工業(yè)應(yīng)用。

審核編輯：郭婷