高效、低功耗和熱優(yōu)化，數(shù)模轉(zhuǎn)換器起到關(guān)鍵作用

工業(yè)4.0已經(jīng)徹底改變了制造業(yè)，改變了工廠的設(shè)計(jì)和實(shí)施方式。在工廠自動(dòng)化和過程控制應(yīng)用中，Industry 4.0的影響歸結(jié)為兩個(gè)基本概念：分散式系統(tǒng)和智能確定性系統(tǒng)的擴(kuò)散。分散式系統(tǒng)固有地需要進(jìn)行模塊化設(shè)置，并具靈活性。高效、低功耗和熱優(yōu)化的設(shè)計(jì)是這些系統(tǒng)的關(guān)鍵推動(dòng)因素。智能確定性系統(tǒng)是可以早期檢測(cè)故障并提高可靠性的模塊。

在工廠自動(dòng)化和過程控制應(yīng)用中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）通常在用于可編程邏輯控制器（PLC）和傳感器發(fā)射器的模擬輸出中被發(fā)現(xiàn)。這兩種情況下，DAC都可用于傳送電壓輸出或電流輸出。

DAC8775是TI最新的高精度DAC，通過包括4-20mA驅(qū)動(dòng)器、電壓輸出和片上自適應(yīng)電源管理在行業(yè)中最具集成性。在這篇博文中，我將提供與DAC8775相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)示例，并探索如何設(shè)計(jì)這個(gè)行業(yè)的當(dāng)前趨勢(shì)。

許多系統(tǒng)控制器由于傳感器數(shù)量的增加而處理數(shù)百個(gè)輸入/輸出（I / O）點(diǎn)。這給設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)挑戰(zhàn)，即將更多的I / O通道融入一個(gè)小型形狀系數(shù)，增加了對(duì)熱優(yōu)化和高效率系統(tǒng)的需求。大多數(shù)模擬輸出模塊4-20mA驅(qū)動(dòng)電路采用具有增益級(jí)的高側(cè)電壓 - 電流轉(zhuǎn)換電路。圖1所示為典型的架構(gòu)。

由放大器A1建立的回路將DAC輸出電壓轉(zhuǎn)換成電流。通過負(fù)反饋，放大器A1將RSET兩側(cè)的電壓設(shè)置為等于DAC輸出。RSET兩側(cè)的這個(gè)電壓降將設(shè)定流過第一級(jí)IM的電流。（我假設(shè)IRSET等于IM的理想情況）。通過使用由放大器A2和RMIRROR鱷魚RSENSE電阻對(duì)的組合建立的回路，產(chǎn)生的電流IM進(jìn)一步被增益。放大器A2將強(qiáng)制RSENSE兩側(cè)的電壓等于VMIRROR。通過與RMIRROR和RSENSE的比例成正比的因子，這產(chǎn)生了從IM增益的負(fù)載電流。如圖1所示，RLOAD通常表示線性執(zhí)行器負(fù)載，如同PLC系統(tǒng)的情況。由于目前通過RMIRROR不提供負(fù)載，這將直接降低系統(tǒng)的效率。良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐是將該電流最小化，將其設(shè)置為小于輸出電流的1％。出于計(jì)算的目的，假設(shè)RMIRROR和RSENSE之間的高比率（> 1到100），我們忽略IM。

圖1：高側(cè)電壓 - 電流轉(zhuǎn)換器

在典型情況下，VPOS電壓可以在12-36V之間變化。RLOAD也可以從短電阻到1kΩ變化。為了說明這一點(diǎn)，可以考慮我們的第一個(gè)示例，即VPOS等于36V，RLOAD等于1Ω的情況。當(dāng)閥門設(shè)定為滿量程時(shí)，控制器將通過負(fù)載驅(qū)動(dòng)20mA。這意味著負(fù)載消耗的功率是PLOAD = I2R = 0.4mW。

所產(chǎn)生的總功率為Pgenerated = = 0.72W。從這個(gè)例子可以看出，電壓 - 電流轉(zhuǎn)換電路耗散剩余的功率：0.72W-0.4mW = 0.7196W。這是一個(gè)非常低效的系統(tǒng)，并將導(dǎo)致系統(tǒng)溫度的不必要地增加。

考慮第二個(gè)示例，其中負(fù)載阻抗較高，為1kΩ。在這種情況下，PLOAD = I2R = 0.4W。所產(chǎn)生的總功率為Pgenerated = = 0.72W。電壓 - 電流轉(zhuǎn)換電路耗散其余功率：0.72W-0.4W = 0.32W。

您可以想象，如果存在大量的功率損耗，在這么小的空間中增加更多的通道將變得不可持續(xù)，這直接增加系統(tǒng)溫度，降低可靠性并增加故障。我給出的示例顯示單通道設(shè)計(jì)的功率損耗。在存在四個(gè)通道的情況下，第一個(gè)和第二個(gè)示例中的功率損耗分別接近2.8W和1.2W。

由于功率損耗隨著更高通道數(shù)模塊的使用而急劇增加，一種可能的解決方案是根據(jù)負(fù)載自適應(yīng)地更改VPOS供應(yīng)。您可以通過添加一個(gè)簡(jiǎn)單的反饋網(wǎng)絡(luò)并使用降壓/升壓轉(zhuǎn)換器為負(fù)載提供必要的電源來實(shí)現(xiàn)。這樣的系統(tǒng)將如圖2所示的框圖。

圖2：具有降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的高端電壓 - 電流轉(zhuǎn)換器

在這種設(shè)計(jì)技術(shù)中，降壓/升壓轉(zhuǎn)換器將檢測(cè)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的輸出FET的漏極 - 源極電壓，并產(chǎn)生內(nèi)部成比例的誤差電流。通過復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)算法，設(shè)備將決定降低或提升電源。該技術(shù)在四通道DAC8775中得以實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)更高的效率。

如果使用與第一個(gè)示例相同的值，當(dāng)負(fù)載為1Ω時(shí)，降壓/升壓轉(zhuǎn)換器會(huì)將DAC的電源降低，從而獲得所需的最小電源。在DAC8775的情況下，將低至4.5V。

如在第一個(gè)示例中，PLOAD = I2R = 0.4mW。產(chǎn)生的總功率為Pgenerated = VI = 0.09W。電壓 - 電流轉(zhuǎn)換電路耗散其余功率：0.09W-0.4mW = 89.6mW。因此，與示例1相比，功耗提高了8倍。

對(duì)于1kΩ負(fù)載情況，PLOAD = I2R = 0.4W。所產(chǎn)生的總功率為Pgenerated = = 0.46W，因?yàn)榻祲?升壓轉(zhuǎn)換器將VPOS設(shè)置為23V。電壓 - 電流轉(zhuǎn)換電路耗散其余功率：0.46W-0.4W = 0.06W。因此，與沒有降壓/升壓轉(zhuǎn)換器反饋的設(shè)計(jì)相比，功耗提高了五倍。

DAC8775的效率也導(dǎo)致需要更多的熱優(yōu)化系統(tǒng)。在具有和不具有自適應(yīng)功率反饋電路的四通道設(shè)計(jì)中比較芯片的結(jié)溫顯示了芯片溫度的顯著改善。圖3和圖4所示為DAC8775的測(cè)量結(jié)果，比較了在1Ω和1kΩ RLOAD情況下，使用和不使用降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的模溫。從圖3可以看出，這種技術(shù)可以將結(jié)溫提高至高達(dá)36°C。

當(dāng)將越來越多的通道擠入更小的空間時(shí)，熱優(yōu)化成為區(qū)分模塊功能的關(guān)鍵性能參數(shù)。在熱量未優(yōu)化的模塊中，系統(tǒng)故障是常見的，且由于溫度漂移較大，性能下降。DAC8775由于其高集成度和高效率而解決了這兩個(gè)挑戰(zhàn)，并具有出色的DC和漂移性能。

圖3：RLOAD的模溫為1Ω

圖4：1KΩ的RLOAD的模溫

如果芯片溫度超過150℃，DAC8775提供過溫報(bào)警，這是豐富的智能診斷功能的其中一個(gè)特色，可幫助早期檢測(cè)故障。這些包括開路負(fù)載、短路、循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）、看門狗定時(shí)器和合規(guī)電壓。除了故障警報(bào)之外，設(shè)備還允許您選擇便于可靠的系統(tǒng)操作的預(yù)設(shè)操作。您可以告知設(shè)備什么都不做、停機(jī)或進(jìn)入預(yù)編程的安全碼。

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