当今典型的可编程逻辑操控器(PLC)包含许多模仿和数字输出，用来操控和监督工业及生产进程。模块化被广泛选用，而且在输入和输出(I/O)方面，它涵盖了模仿I/O和数字I/O的基本功用。模仿输出提出了一个特别的应战（如图1所示），由于需求在很多不同负载条件下供给高精度的有源驱动设定值。有源驱动器级此刻变得尤为重要；损耗应尽量小。
需求考虑的要素如下：
u 衔接的负载
u 答应的最高环境温度和内部模块温度
u 通道数和模块尺度
u 电气阻隔接口
u 精度
在进程自动化中，一般还需求在各个输出通道之间树立电气阻隔。除此之外，还有一些其他要求，例如依据通道的确诊或对HART®信号的支撑。鲁棒性和容错性也是必备条件。
由于半导体的开展和混合信号工艺的不断改进，高集成密度的超小型电路成为可能。模仿输出通道的功用可以被完好地集成到IC中。因而，AD5758在5 mm × 5 mm封装尺度内集成了DAC和驱动器的基本功用，以及很多其他模仿和逻辑功用，例如用于确诊的ADC、智能电源办理、基准电压源、可防止反向和过压的毛病开关、数据校准寄存器以及SPI通讯接口。
AD5758（图2）涵盖了用于自动化范畴一切常见的输出规模：单极性0 V至10 V/0 mA至20 mA、双极性±10 V/±20 mA以及一切子规模（例如用于进程自动化的4 mA至20 mA）。每种设置都供给20%的超量程规模。这些值的输出选用16位分辨率。
图1.阻隔式模仿输出体系框图。
功率损耗大幅下降
什么功用使AD5758特别合适温度和空间受限的运用？损耗首要发生在带有DC-DC转换器和输出驱动器级的电源部分。这正是智能电源办理的用武之地。AD5758具有自适应负载调整或动态功率操控(DPC)功用。DPC在电流输出方法下激活，并操控驱动特定负载所需的驱动器级上的电压。依据作业条件，电流输出的负载电压(I × RLOAD)仅占电源电压的一小部分。电源电压差有必要事先以功率损耗的方法经过串联晶体管加以耗散。DPC现在将驱动器电压调理到比实践所需的负载电压（为输出晶体管保存裕量）高几伏特，然后将损耗降至最低。只要运用开关稳压器才能以这种方法进行电压的有用调理，而该器材现已集成在AD5758中，并可依据负载进行自动操控。即便在开关稳压器和上游电源中呈现额定的损耗，整体功率损耗的下降依然十分显着，特别关于小负载电阻更是如此（见表1）。这首要使小尺度规划成为可能，而且电路板也能坚持杰出的散热。
图2.AD5758的功用框图。
表1.输出电流I = 20 mA且固定电源电压为24 V时的理论损耗（不考虑DC-DC的内部功耗和功率）
| RLOAD | 0 Ω | 50 Ω | 1 kΩ |
| VLOAD (V) | 0 | 1 | 20 |
| 未选用DPC时的损耗(mW) | 480 | 460 | 80 |
| 选用DPC时的损耗(mW) | 100 | 80 | 50 |
| 削减(mW) | 380 | 380 | 30 |
降额设定严厉的约束
降额界说为在规则鸿沟条件下的功用下降，类似于功率半导体中的安全作业区(SOA)。由于前面说到的功率损耗和相关的冷却问题，未选用DPC的输出模块遭到更严厉的热约束。现在，信用卡巨细的模块上具有两个或四个通道很常见。一般模块的额定环境温度最高为60°C。可是，在这些环境条件下，并非一切四个通道都可以驱动十分小的负载，由于在未选用DPC的四个通道中，模块中的功率损耗会到达3 W，发生的热量会使元件快速到达其极限值。经过热降额（图3），模块制造商在较高的环境温度下仅能运用四个可用通道中的一个或两个，然后大大下降了可用性和通道本钱功用。
由于AD5758具有自适应调理功用，其功率损耗仅在很低程度上取决于负载电阻，关于0 kΩ至1 kΩ的负载，其功率损耗一直坚持在250 mW以下（表2）。因而，依据输出模块的规划，将能完成八个阻隔通道，其整体功率损耗<2 W。5 mm × 5 mm LFCSP封装的结至环境热阻ΘJA为46 K/W，在200 mW的功率损耗下温升小于10°C。AD5758的额定环境温度可高达115°C。这为多通道模块供给了很大的裕量，无需降额。
表2.I = 20 mA和电源 = 24 V时DPC作业方法下的功率丈量值
|
RLOAD RLOAD |
0 Ω 0 Ω |
250 Ω 250 Ω |
750 Ω 750 Ω |
1 kΩ 1 kΩ |
|
Load Voltage(V) 负载电压(V) |
0 0 |
5 5 |
15 15 |
20 20 |
|
PTOTAL(mW) PTOTAL(mW) |
222 222 |
296 296 |
509 509 |
609 609 |
|
PLOAD(mW) PLOAD(mW) |
0 0 |
100 100 |
300 300 |
400 400 |
|
Power Loss(mW) 功率损耗(mW) |
222 222 |
196 196 |
209 209 |
209 209 |
功率损耗值还包含运用ADP1031进行电源和数据阻隔而发生的功耗。
图3.典型的降额曲线。
电源优化
电源电压具有不同的要求：
u 逻辑电压：除了（作业方法取决于单极性或双极性）驱动器电源之外，AD5758输出IC还需求一个3.3 V的逻辑电压为内部模块供电。这可以运用片内LDO稳压器发生；可是，为了进步功率并下降功率损耗，主张运用开关稳压器。
u 阻隔式驱动器电源：出于安全考虑，PLC总线与I/O模块之间一直坚持电气阻隔。图1选用不同色彩显现了这种阻隔，其间包含逻辑（总线）端、电源和现场端输出的三种不同电位。
由于一般在电路板上也会对这三个部分进行空间分隔，即输出端朝向正面衔接器端子设置，而背板总线（望文生义）坐落反面，所以将阻隔、电源和输出驱动器集成到单芯片中并不正确。
电源办理单元ADP1031（图4）履行一切功用，并与AD5758调配作业，可以在更小的空间需求和功率损耗下完成阻隔式输出模块的开发（图5）。
图4.电源办理单元ADP1031。
ADP1031在9 mm × 7 mm封装尺度内集成了四个模块：
u 反激式转换器，用于发生正阻隔电源电压VPOS。
u 反相器，用于发生双极性输出所需的负电源VNEG。
u 降压型转换器，用于为AD5758的逻辑电路供给VLOG。
u 具有额定GPIO的阻隔SPI数据接口。
反激式转换器的优势是功率高；仅需一个小尺度的1:1变压器。反激式转换器在榜首级可发生高达28 V的阻隔驱动器电压。由此生成反相器和降压型转换器，它们共用相同的地电位。
在电源办理单元的规划进程中，ADI公司特别加强了电磁兼容性(EMC)和鲁棒性。例如，输出电压相移，且反激式操控器的压摆率可调。一起还为一切三个电压添加了软启动、过压维护和电流约束功用，以完成杰出的丈量。
阻隔式SPI接口依据老练的iCoupler®技能，可传输作业所需的一切操控信号。因而完成了高速数据途径（四个通道）和较低速率的GPIO操控途径（三个复用通道）之间的区别。潜在的运用是经过一起的操控信号同步激活多通道模块或多个模块中的输出，回读过错标志或触发安全关断。
图5.选用ADP1031和AD5758完成完好的4通道模仿输出。
体系优势
AD5758和ADP1031的组合供给阻隔式模仿输出的完好功用，仅需两个芯片。尺度约为13 mm × 25 mm，通道空间要求更小，仅为现在解决方案的一半。
除了节约空间以外，要害功用的集成还使布局更简练、电位便于别离而且硬件本钱明显下降。ADI公司的8通道演示规划仅运用一块六层板，尺度为77 mm × 86 mm（图6）。
优势总结：
u 经过功率损耗优化，使模块更小且每个模块具有更多通道
u 无需降额，答应更高的环境温度
u 削减硬件作业量，然后下降了本钱
u 轻松完成多通道模块的可扩展性
u 牢靠的规划和更多确诊功用
图6.阻隔式8通道AO模块。
作者简介
Jürgen Schemel现任ADI公司现场运用工程师，为自动化、工业4.0和状况监控运用范畴的工业战略客户供给支撑。他于1996年取得奥芬堡运用科学大学硕士学位。他开始上任于西门子，从事工业运用的通讯技能体系规划。
