簡化隔離式軟件可配置I/O通道設計的高集成度、系統(tǒng)級方法

作者：ADI應用工程師Valerie Hamilton

為過程控制、工廠自動化、樓宇控制系統(tǒng)等工業(yè)應用設計系統(tǒng)級隔離式I/O解決方案時，有許多方面需要考慮，其中包括功耗、數(shù)據(jù)隔離和外形尺寸。圖1顯示了系統(tǒng)解決方案，其在隔離式單通道軟件可配置I/O解決方案中使用AD74115H和ADP1034，解決了電源、隔離和面積挑戰(zhàn)。通過將ADP1034的電源和數(shù)據(jù)隔離功能與AD74115H的軟件可配置能力相結(jié)合，可以僅使用兩個IC和非常少的外部電路來設計一個隔離式單通道I/O系統(tǒng)。

圖1.ADP1034和AD74115H電路圖

(相關(guān)資料圖)

系統(tǒng)級解決方案

ADP1034是一款高性能隔離式電源管理單元，包含一個隔離反激式穩(wěn)壓器、一個反相降壓升壓調(diào)節(jié)器和一個降壓調(diào)節(jié)器，提供三個隔離式電源軌并集成了七個低功耗數(shù)字隔離器。ADP1034還具有可編程功率控制(PPC)功能，可通過單線接口按需調(diào)整V_OUT1上的電壓。V_OUT1為AD74115H AV_DD電源軌提供6V至28V的電壓。V_OUT2為AD74115H電源軌AV_CC和DV_CC提供5V電壓。如需要，它還能為外部基準電壓源提供電源電壓。V_OUT3為AD74115H AV_SS電源軌提供-5V至-24V的電壓。

功耗和優(yōu)化

設計通道間隔離模塊時，主要的權(quán)衡通常是在功耗和通道密度之間。隨著模塊尺寸縮小，通道密度增加，每個通道的功耗必須降低，以滿足模塊的最大功耗預算要求。在這種情況下，模塊是指ADP1034和AD74115H，當它們共同使用時，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之所以成為出色的低功耗解決方案，原因在于集成PPC功能的引入。PPC使用戶能夠按照需求調(diào)整V_OUT1電壓（AD74115H AV_DD電源電壓）。這種方法可以大大降低模塊在低負載條件下的功耗，特別是在電流輸出模式下。

使用PPC功能時，系統(tǒng)中的主機控制器通過SPI向AD74115H發(fā)送所需的電壓代碼，該代碼隨后通過單線串行接口(OWSI)傳遞至ADP1034。OWSI實現(xiàn)了CRC校驗功能，非常穩(wěn)健，可抵抗惡劣工業(yè)環(huán)境中可能存在的EMC干擾。

查看功耗計算示例可知，如果AV_DD= 24V且負載為250Ω，則對于20mA的電流輸出，模塊總功耗為748mW。當使用PPC將AV_DD電壓降至8.6V（負載電壓+裕量）時，模塊功耗約為348mW。這表明模塊內(nèi)節(jié)省了400mW的功耗。

功耗計算示例

示例1和示例2選擇了電流輸出用例，驅(qū)動20mA輸出。負載為250Ω，使能ADC，以每秒20個樣本轉(zhuǎn)換默認測量配置。

示例1（無PPC）：

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

AD74115H輸入功率 = AD74115H_QUIESCENT(206mW) + ADC功耗(30mW) + 480mW = 716mW

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

負載功耗 = 20mA²× 250? = 100mW

模塊總功耗 =（模塊輸入功率 - 負載功耗）= 748mW

在示例2中可以看到，當使能PPC功能以將AV_DD降低到所需電壓(20mA × 250Ω) + 3.6V裕量 = 8.6V時，模塊的功耗降至348mW。

示例2（使能PPC）：

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

AD74115H輸入功率 = AD74115H_QUIESCENT(136mW) + ADC功耗(30mW) + 172mW = 338mW

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

負載功耗 = 20mA²× 250? = 100mW

模塊總功耗 =（模塊輸入功率 - 負載功耗）= 348mW

圖2顯示了AD74115H應用板上在25°C時的實測功耗。測量結(jié)果表明，功耗略低于計算的功耗。此結(jié)果會因器件而略有不同。

圖2.測量數(shù)據(jù)：驅(qū)動20mA到250Ω負載，AV_DD= 24V，AV_DD= 8.6V（使用PPC）

圖3顯示了使用PPC的模塊（ADP1034和AD74115）功耗（針對每個負載電阻值設置優(yōu)化的AV_DD）與不同負載電阻值的關(guān)系。兩個不同的電壓被施加于ADP1034的VINP（15V和24V），以顯示ADP1034的效率。測量是在25°C下進行。

圖3.20mA輸出時功耗與R_LOAD的關(guān)系

圖4顯示了不同溫度下使用PPC的功耗（針對每個負載電阻值設置優(yōu)化的AV_DD）與不同負載電阻值的關(guān)系。

圖4.功耗與溫度的關(guān)系

表1.使用PPC的AD74115H典型用例功耗

數(shù)字輸出用例

在工業(yè)應用中，數(shù)字輸出被認為是最耗電的使用場景。AD74115H支持內(nèi)部和外部拉電流與灌電流數(shù)字輸出。ADP1034可為內(nèi)部數(shù)字輸出功能提供足夠的功率，支持最高100mA的連續(xù)拉電流或灌電流。在這種情況下，數(shù)字輸出電路電源DO_V_DD直接連接到AV_DD。對于100mA以上的電流，必須使用外部數(shù)字輸出功能，這需要將額外的電源連接到DO_V_DD。

內(nèi)部數(shù)字輸出用例超時

為了支持在初始上電時對容性負載充電，可以在使用內(nèi)部數(shù)字輸出用例的同時，使能更高的短路限流值(~280mA)，使能的時間T1可編程。經(jīng)過T1時間后，部署第二短路限流值(~140mA)。這是一個較低的限流值，在可編程的持續(xù)時間T2內(nèi)有效。在這些短路情況下，系統(tǒng)需要更多電流，因此必須注意確保ADP1034 V_OUT1電壓不會驟降。為確保無驟降，如果需要24V DO_V_DD，建議將24V電壓作為ADP1034的系統(tǒng)電源電壓。這是24V繼電器的典型電壓需求。對于12V繼電器，建議使用至少18V的系統(tǒng)電源電壓(ADP1034 V_INP)，以確?？梢詾樨撦d提供足夠的電流。

圖5和圖6顯示了DO_V_DD與T1和T2短路限值的關(guān)系，證明了使用ADP1034提供大電流的穩(wěn)定性。

圖5.系統(tǒng)電源= 24V，DO_V_DD電壓= 24V

圖6.系統(tǒng)電源= 24V，DO_V_DD電壓= 12V

數(shù)據(jù)隔離和解決方案尺寸

ADP1034采用ADI的iCoupler^?專利技術(shù)，在7mm × 9mm封裝中集成了三個隔離電源軌，包括SPI數(shù)據(jù)和三個GPIO隔離通道。這種高集成度將所有通道隔離要求整合到PCB上的一個小區(qū)域中，有助于解決PCB面積挑戰(zhàn)，而且實現(xiàn)了省電。當通道不使用時，ADP1034的控制器端將其他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才處于活動狀態(tài)。三個隔離GPIO通道用于隔離AD74115H的引腳，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)語

設計一種低功耗、小尺寸的通道間隔離I/O解決方案，哪怕是對于業(yè)內(nèi)一些經(jīng)驗十分豐富的設計人員而言，也可能是一項挑戰(zhàn)。ADP1034和AD74115H系統(tǒng)級解決方案通過高集成度和系統(tǒng)級設計方法有效化解了此挑戰(zhàn)。由單個IC從單個系統(tǒng)電源提供三個隔離電源軌，并提供集成數(shù)據(jù)隔離，這使得BOM成本大幅降低。再加上AD74115H的靈活性，該系統(tǒng)設計將能滿足大多數(shù)I/O工業(yè)應用的要求。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Valerie Hamilton目前在ADI愛爾蘭公司擔任產(chǎn)品應用工程師。她于2014年7月畢業(yè)于高威梅雅理工學院，獲工程學學士學位，隨即加入ADI公司。Valerie主要關(guān)注工業(yè)I/O產(chǎn)品，包括軟件可配置I/O和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字輸出 解決方案 輸入功率 工業(yè)應用 電源電壓