四通道器件AD5755每個(gè)通道均具有可編程電流和電壓輸出。同樣地，16位CDAC的每個(gè)通道也具有16位增益和失調(diào)寄存器，使用戶可以設(shè)置任何輸出范圍的零電平和滿量程值。現(xiàn)在，每個(gè)通道還具有專用HART引腳，經(jīng)全面測(cè)試與HART兼容。除已經(jīng)提到的動(dòng)態(tài)功率控制功能之外，器件內(nèi)還集成了許多其他診斷功能。左側(cè)可以看到看門狗定時(shí)器，它會(huì)監(jiān)控SPI引腳上的活動(dòng)。例如，如果系統(tǒng)內(nèi)的微控制器發(fā)生故障，則看門狗定時(shí)器可以置位故障條件，后者接著可用于將輸出置于已知或故障安全條件下。另外所有輸出通道上都具有斷路和短路檢測(cè)及保護(hù)功能。最后，器件上提供了數(shù)字壓擺率控制功能，使用戶可以設(shè)置輸出壓擺率。這對(duì)執(zhí)行器控制應(yīng)用等很有用，例如控制慢速器件時(shí)想要限制快速輸出變化。

比較一下動(dòng)態(tài)功率控制功能的一些結(jié)果，在短路條件下對(duì)所有四路輸出同時(shí)實(shí)施及不實(shí)施動(dòng)態(tài)功率控制功能時(shí)的結(jié)溫升高情況可以看到結(jié)果，未使能動(dòng)態(tài)功率控制時(shí)，內(nèi)部芯片溫度升高約70℃，這在硅IC級(jí)別實(shí)現(xiàn)了75%的熱節(jié)省。實(shí)際上，這些功率和熱優(yōu)勢(shì)使客戶可以在自己的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通道密度增加，而不必增加模塊或機(jī)架尺寸或犧牲其他設(shè)計(jì)參數(shù)，如溫度范圍、電源或負(fù)載條件。

人們常常會(huì)問這樣一些問題，片內(nèi)DC-DC會(huì)產(chǎn)生多少紋波？以及這對(duì)系統(tǒng)性能有何影響？特別是考慮到后置調(diào)節(jié)階段不使用LDO時(shí)？設(shè)計(jì)電路時(shí)用到了DC-DC抑制元件，而AVCC是DC-DC-DC輸入的電源，通常為5 V。10?電阻左側(cè)是DC-DC的輸出端；出于完整性考慮，我們添加了可選低通RC濾波器，充當(dāng)一階抗混疊濾波器。所設(shè)計(jì)的電路也具有4~20 mA輸出。現(xiàn)在這里將有一些阻性負(fù)載和一些容性負(fù)載，而電纜一般使用單獨(dú)屏蔽的單對(duì)或多對(duì)雙絞線電纜，導(dǎo)線電容取決于電纜類型，但每英尺約在20pF~50pF范圍內(nèi)較佳。存在電阻負(fù)載時(shí)，前面已經(jīng)提到最大端接電阻為1k?，本例中使用相同值，另外我們還為電容提供了可選負(fù)載連接，這是為了在需要時(shí)仿真環(huán)路電容。器件設(shè)置為將20mA滿量程電流輸出至1kΩ負(fù)載，而VBoost輸出以及4-20mA輸出均交流耦合至示波器。對(duì)于示波器上的每個(gè)格，兩個(gè)波形均設(shè)置為約5mA，可以看到VBoost輸出端無(wú)容性負(fù)載時(shí)紋波約為7.6 mV。這是4-20mA輸出，此情況下滿量程建立時(shí)間約為580µs。如果為輸出負(fù)載添加1nF電容（這是為了仿真線路電容），可以看到電容或峰峰值紋波降低至約4.24 mV。再次將電容增加至10nF時(shí)，紋波將降至2mV以下，而輸出建立時(shí)間再次略微增加。值得注意的是，對(duì)于電壓模式，建立時(shí)間仍為幾微秒級(jí)別，此處的所有建立時(shí)間數(shù)據(jù)僅與電流模式輸出相關(guān)。這說明了紋波幅度與建立時(shí)間和輸出電容之間存在權(quán)衡關(guān)系。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須確定系統(tǒng)可以容許的紋波大小情況。

在之前的解決方案中，是使用多個(gè)分立元件能提供完整的系統(tǒng)級(jí)解決方案。SPI接口、開關(guān)變壓器、PWM控制器和降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器均需要分立式數(shù)據(jù)隔離器，以便產(chǎn)生為轉(zhuǎn)換器供電所需的隔離DC-DC電源。所有這些元件都會(huì)增加系統(tǒng)電路板面積、空間和成本。對(duì)于低功耗模塊，例如1W~2W級(jí)別，特別是需要通道間隔離的模塊，圖6中顯示的AD347X系列器件可為電源和隔離提供更高程度的整合，是集成度更高的電源管理解決方案。這些都是四通道數(shù)字隔離器，但也集成了用于隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器的PWM控制器和變壓器驅(qū)動(dòng)器。這樣便無(wú)需單獨(dú)的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器以及功耗為2W或更低的設(shè)計(jì)。

圖6 ADuM347x隔離式PWM控制器和四通道數(shù)字隔離器

問答選編

問：請(qǐng)問減少有害熱事件都有哪些方法？

答：提高電源效率；優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)，增強(qiáng)相應(yīng)的散熱能力；通過外部風(fēng)扇增加空氣對(duì)流，改善散熱。

問：如何有效降低上電瞬間的功耗沖擊？

答：可以在輸入端加一些小的濾波電感，可以有效遏制上電瞬間的沖擊電流，另外在很多電源控制芯片都有軟啟動(dòng)電路，通過延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間也可以有效減小上電電流。

問：AD5755的動(dòng)態(tài)功率控制（DPC）閾值是否可在電路中編程?

答：可以通過控制相關(guān)寄存器實(shí)現(xiàn)。

問：隔離方案有模擬和數(shù)字兩種，如何正確選擇?

答：具體按照設(shè)計(jì)上需要隔離模擬還是數(shù)字，一般來(lái)說，數(shù)字要相對(duì)容易和經(jīng)濟(jì)。在高噪聲工業(yè)環(huán)境中，采用數(shù)字隔離方案的抗擾性會(huì)好一些。

問：器件或系統(tǒng)短路時(shí)產(chǎn)生較大的電流，如何控制和降低系統(tǒng)短路的時(shí)間以改善系統(tǒng)的可靠性?

答：短路發(fā)生時(shí)，一般芯片內(nèi)部都會(huì)有過流檢測(cè)功能，對(duì)于DC-DC電源來(lái)說，如果是電流控制模式，會(huì)有cycle by cycle電流檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)過流情況，在一個(gè)開關(guān)周期就可以做出反應(yīng)，所以響應(yīng)時(shí)間比較快。為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小由于短路造成系統(tǒng)過熱，可以選擇具有hiccup 模式的過流保護(hù)，就是短路后，芯片會(huì)關(guān)斷很長(zhǎng)一段時(shí)間，然后重新啟動(dòng)，如果短路仍在，就繼續(xù)關(guān)斷重啟，直至短路狀態(tài)消失。這對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性會(huì)有很大幫助。

問：如何選擇系統(tǒng)采樣的精度以達(dá)到功耗和精度的優(yōu)化?

答：提高采樣精度，需要采用高分辨率的ADC，對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓源，以及相應(yīng)分辨率的信號(hào)調(diào)理電路。首先滿足系統(tǒng)精度的要求，然后考慮采樣速率，通常采樣速率高的情況下，功耗會(huì)增加，在功耗增加的情況下，也會(huì)使得ADC周邊的工作溫度升高，從而引起溫度漂移，所以需要折中考慮功耗和精度的因素。

問： 在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，主要的系統(tǒng)誤差來(lái)源有哪些？

答：整個(gè)鏈路都存在有系統(tǒng)誤差來(lái)源，但一般越靠近前級(jí)影響越大，比如前端傳感器很重要，往往就決定整個(gè)系統(tǒng)的誤差。

問：如何解決開關(guān)電源噪聲對(duì)ADC精度的影響?

答：在原理圖與PCB設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)，都需考慮開關(guān)電源高頻噪聲的濾除與阻隔，適當(dāng)?shù)氖褂么胖?，選擇合適的退耦電容容量與組合，并靠近器件電源管腳處放置，必要時(shí)可以選用ADI低壓差高精度低噪聲LDO做二次穩(wěn)壓。

問：AD5755的升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的升壓比有幾倍?是否可編程?

答：AD5755的升壓比可以最大達(dá)到6倍左右，可以通過外部電阻的配置來(lái)確定輸出電壓，而且內(nèi)部有寄存器可以通過編程來(lái)設(shè)置最大輸出電壓。當(dāng)超過這一電壓值，DC-DC會(huì)關(guān)斷。

問：為了解決散熱問題,采用四個(gè)單路ADC和一個(gè)四路ADC，效果會(huì)有什么不同?

答：通常采用四個(gè)單路ADC，對(duì)于每一片ADC來(lái)講，散熱效果會(huì)好一些，但總體功耗會(huì)增加；采用一個(gè)四路ADC，芯片的自身功耗會(huì)增大一些，但是系統(tǒng)的總體功耗相對(duì)會(huì)降低，而且單片四路ADC的印制板占用面積也會(huì)相應(yīng)減小，唯一需要考慮的問題是需要處理好芯片散熱問題，避免溫度升高帶來(lái)的漂移影響。

問： 4通道數(shù)字隔離器的優(yōu)點(diǎn)有哪些？

答：4通道數(shù)字隔離器有不同的配置，可以根據(jù)具體通信數(shù)據(jù)的方向配置來(lái)選擇相應(yīng)的型號(hào)。優(yōu)點(diǎn)在于高速數(shù)據(jù)通信隔離的時(shí)候，功耗比較光藕隔離方案要小很多，而且成本方面也會(huì)有所降低。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

問：使用開關(guān)電源時(shí)，電容和電感太大會(huì)不會(huì)降低效率啊

答：開關(guān)電源中，如果電感量大可以降低紋波電流，從而減小線路的有效電流值，會(huì)對(duì)效率有一定提高。但在選擇電感時(shí)主要考慮電感的DCR，也就是自身的直流阻抗，這個(gè)就相當(dāng)于在線路中串聯(lián)一個(gè)電阻，所以要選擇具有小DCR的電感。電容的作用主要是為了濾平輸出電壓，減小輸出電壓紋波，大的電容會(huì)改善紋波性能。因?yàn)殡娙菀灿凶陨黼娮鐴SR，也會(huì)影響效率，所以要選擇小ESR的電容比較好，比如瓷片電容就要比電解電容好很多。

問：AD5755還適用于哪些方面的作用？

答：AD5755不僅可以用規(guī)格書上所提到的應(yīng)用范圍：過程控制，執(zhí)行器控制以及PLC(可編程控制器)等，還可以用于傳感器產(chǎn)品的開發(fā)。或者說，需要提供精密電壓和電流輸出信號(hào)的情況，都可以考慮使用AD5755。

問：如何選擇I/O模塊的過載能力和自恢復(fù)功能?

答：這個(gè)取決于系統(tǒng)的工作環(huán)境，一般情況下，外部工作環(huán)境越復(fù)雜，越惡劣的系統(tǒng)，就需要選擇有比較強(qiáng)過載和恢復(fù)功能的芯片，而如果工作環(huán)境相對(duì)來(lái)說不是很惡劣，設(shè)計(jì)中這方面因素可以考慮的少點(diǎn)。但是從整體上說，盡量選擇有過載能力和自恢復(fù)能力的芯片對(duì)系統(tǒng)整體的魯棒性會(huì)有比較大的提升。

問：降低功耗和減少有害熱事件的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？

答：第一，提高電源的效率比如新材料的引入。一些功率元件比如二極管和MOSFET，現(xiàn)在SiC器件都在某些應(yīng)用中被采用了，可以大大提高電源效率。第二，散熱技術(shù)的提高，比如水冷技術(shù)，在一些應(yīng)用中也有用到，不過對(duì)于目前主流應(yīng)用還是通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如在輕載工作中可以降低工作頻率，關(guān)閉不必要的功能塊等來(lái)實(shí)現(xiàn)降低功耗。