本文介绍一款软件可配置输入/输出(I/O)器件及其专用隔离电源和数据解决方案,有助于解决系统级工业应用设计中的设计挑战。本文介绍了设计单个IC时系统级思维的优势,并重点介绍所提出的解决方案的功耗优化功能。
介绍
在为工业应用(如过程控制、工厂自动化或楼宇控制系统)设计系统级隔离式I/O解决方案时,需要考虑许多方面。其中包括功耗、数据隔离和外形尺寸。图1所示为在隔离式单通道软件可配置I/O解决方案中使用AD74115H和ADP1034解决功耗、隔离和面积挑战的系统解决方案。通过将ADP1034的电源和数据隔离与AD74115H的软件可配置性相结合,只需使用两个IC和最少的外部电路即可设计隔离式单通道I/O系统。
系统级解决方案
ADP1034是一款高性能隔离式电源管理单元,集成了隔离式反激式稳压器、反相降压升压稳压器和降压稳压器,提供三个隔离电源轨,并集成七个低功耗数字隔离器。ADP1034还具有可编程功率控制(PPC)功能,用于调节V上的电压输出1通过单线接口按需提供。V输出1为AD74115H AV提供6 V至28 V电压DD电源轨。V输出2为AD74115H电源轨AV提供5 V抄送和DV抄送.如果需要,它还可以为外部基准提供电源电压。V出3为AD74115H AV提供–5 V至–24 V电压党卫军电源轨。
功耗和优化
在设计通道间隔离模块时,主要权衡因素通常是功耗和通道密度。随着模块尺寸的缩小和通道密度的增加,每个通道的功耗必须降低,以适应模块的最大功耗预算。在这种情况下,该模块定义为ADP1034和AD74115H,它们组合在一起可提供隔离电源、数据隔离和软件可配置I/O功能。
AD74115H和ADP1034之所以成为最佳的低功耗解决方案,是因为它引入了集成PPC功能。PPC使用户能够调整V输出1电压 (AD74115H AVDD电源电压)按需提供。这种方法可最大限度地降低低负载条件下模块的功耗,特别是在电流输出模式下。
使用PPC功能时,系统中的主控制器通过SPI将所需的电压代码发送到AD74115H,然后通过单线串行接口(OWSI)传递给ADP1034。OWSI已实施CRC,以提供针对恶劣工业环境中可能存在的EMC干扰的鲁棒性。
如果我们看一下示例功耗计算,我们可以看到,如果AVDD= 24 V,负载为250 Ω,对于20 mA的电流输出,模块中总共将耗散748 mW。当我们使用PPC丢弃AV时DD电压为 8.6 V(负载电压 + 裕量),模块中耗散的功率为 ~348 mW。这表明模块内节能400 mW。
功耗计算示例
在示例1和示例2中,选择电流输出用例并驱动20 mA输出。负载为 250 Ω,ADC 使能,并以每秒 20 个样本的速度转换默认测量配置。
图1.ADP1034和AD74115H电路图
示例 1(无 PPC):
AD74115H 输出功率 = (AVDD= 24 V) × 20 mA = 480 mW
AD74115H 输入功率 = AD74115H静态(206 mW) + ADC 功率 (30 mW) + 480 mW = 716 mW
模块输入功率 = 716 mW + ADP1034 功率 (132 mW) = 848 mW
负载功率 = 20 mA2× 250 Ω = 100 mW
总模块功率 =(模块输入功率 – 负载功率)= 748 mW
在示例 2 中,我们可以看到,当启用 PPC 功能以减少 AVDD到所需电压 (20 mA × 250 Ω) + 3.6 V裕量= 8.6 V,则模块中的功耗降至348 mW。
示例 2(启用 PPC):
AD74115H 输出功率 = (AVDD= 8.6 V) × 20 mA = 172 mW
AD74115H 输入功率 = AD74115H静态(136 mW) + ADC 功率 (30 mW) + 172 mW = 338 mW
模块输入功率 = 338 mW + ADP1034 功率 (100 mW) = 448 mW
负载功率 = 20 mA2× 250 Ω = 100 mW
总模块功率 =(模块输入功率 – 负载功率)= 348 mW
图2显示了AD74115H应用板在25°C下测得的功耗。 测量显示功耗略低于计算的功耗。这将因设备而异。
图2.测量数据 20 mA 至 250 Ω负载,AVDD= 24 V,AVDD= 8.6 V(使用PPC)。
图3显示了使用PPC(优化AVDD针对每个负载电阻值进行编程)与不同的负载电阻值。对V施加两种不同的电压INP来显示ADP1034(15 V和24 V)的效率。测量在25°C下进行。
图3.功耗与R的比较负荷在 20 mA 输出时。
图4显示了使用PPC(优化的AVDD针对每个负载电阻值进行编程)与温度范围内的不同负载电阻值。
图4.功耗与温度的关系
表 1.AD74115H 采用PPC的典型功耗用例
VINP(五) |
影音DD 电压 (V) |
用例 | 负荷 | 功率(毫瓦) | |
24 | 8.6 | 电流输出 | 250 Ω | 322 | |
24 | 18 | 电压输入 | 不适用 | 250 | |
24 | 18 | 外部供电的电流输入 | 24毫安 | 启用哈特 | 哈特禁用 |
422 | 334 | ||||
24 | 18 | 由HART供电的电流输入环路® | 24毫安 | 456 | |
24 | 16.5 | 电压输出双极性 12 V 范围 | 1 千微电阻 | ZS 代码 | FS 代码 |
345 | 333 | ||||
24 | 18 | 2 线式热电阻 | 250 Ω | 260 | |
24 | 18 | 3 线式热电阻 | 250 Ω | 295 | |
24 | 18 | 4 线式热电阻 | 250 Ω | 268 | |
24 | 18 | 数字输入逻辑 | 2.4 mA 灌电流 | 297 | |
24 | 18 | 数字输入环路供电 | 250 Ω | 667 | |
24 | 12 | 内部数字输出 | 12 V 继电器 ~278 Ω 线圈电阻 | 采购 | 下沉 |
265 | 285 |
数字输出用例
在工业应用中,数字输出被认为是对功耗要求最高的用例。AD74115H支持内部和外部拉电流和灌电流数字输出。ADP1034可以为内部数字输出功能提供足够的电源,能够源出或吸收高达100 mA的连续电流。在这种情况下,数字输出电路DO_VDD直接连接到 AVDD.对于高于100 mA的电流,必须使用外部数字输出功能,这需要额外的电源连接到DO_VDD.
内部数字输出用例超时
为了支持在初始上电时对容性负载充电,可以在使用内部数字输出用例时,在可编程时间T1内启用更高的短路电流限值(~280 mA)。T1时间过后,将部署第二个短路限值(~140 mA)。这是一个较低的电流限值,在可编程的持续时间T2内处于活动状态。由于在这些短路条件下需要更多电流,因此必须注意确保ADP1034 V输出1电压不会下降。为确保没有骤降,建议使用24 V电压作为ADP1034的系统电源电压,以满足所需的DO_VDD的 24 V。这是 24 V 继电器的典型所需电压。对于12 V继电器,最小系统电源电压(ADP1034 VINP) 的建议为 18 V,以确保为负载提供足够的电流。
图 5 和图 6 显示了DO_VDD与T1和T2短路限值相比,证明了ADP1034提供高电流的稳定性。
图5.系统电源 = 24 V,DO_VDD电压 = 24 V。
图6.系统电源 = 24 V,DO_VDD电压 = 12 V。
数据隔离和解决方案大小
ADP1034采用ADI公司的专利i耦合器技术,在7 mm×9 mm封装中集成了三个隔离电源轨,包括SPI数据和三个GPIO隔离通道。这种高集成度有助于解决PCB空间挑战,因为它将所有通道隔离要求整合到PCB上的一个小区域内。还实现了节能。当其他SPI隔离器通道不使用时,ADP1034上的控制器侧将其他SPI隔离器通道置于低功耗状态。这意味着通道仅在需要时处于活动状态。三个隔离式GPIO通道用于隔离AD74115H的复位、警报和ADC_RDY引脚,从而满足AD74115H的所有隔离要求,而无需增加额外的隔离器IC成本。®
结论
对于业内一些最有经验的设计人员来说,设计低功耗、小尺寸通道间隔离I/O解决方案可能是一个挑战。ADP1034和AD74115H系统级解决方案采用高集成度和系统级设计方法,简化了挑战。单个IC通过单个系统电源提供三个隔离电源轨,并集成数据隔离,因此BOM成本显著降低。结合AD74115H的灵活性,系统设计可满足大多数I/O工业应用。
审核编辑:郭婷
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