通過動態(tài)功率控制實現(xiàn)模擬輸出高效的散熱設計

（文章來源：EEWORLD）

當今典型的可編程邏輯控制器(PLC)包含許多模擬和數(shù)字輸出，用來控制和監(jiān)視工業(yè)及生產(chǎn)過程。模塊化被廣泛采用，并且在輸入和輸出(I/O)方面，它涵蓋了模擬I/O和數(shù)字I/O的基本功能。模擬輸出提出了一個特殊的挑戰(zhàn)，因為需要在眾多不同負載條件下提供高精度的有源驅(qū)動設定值。有源驅(qū)動器級此時變得尤為重要；損耗應盡量小。

在過程自動化中，通常還需要在各個輸出通道之間建立電氣隔離。除此之外，還有一些其他要求，例如基于通道的診斷或?qū)ART?信號的支持。魯棒性和容錯性也是必備條件。

由于半導體的發(fā)展和混合信號工藝的不斷改進，高集成密度的超小型電路成為可能。模擬輸出通道的功能能夠被完整地集成到IC中。因此，AD5758在5 mm × 5 mm封裝尺寸內(nèi)集成了DAC和驅(qū)動器的基本功能，以及眾多其他模擬和邏輯功能，例如用于診斷的ADC、智能電源管理、基準電壓源、可防止反向和過壓的故障開關、數(shù)據(jù)校準寄存器以及SPI通信接口。

AD5758涵蓋了用于自動化領域所有常見的輸出范圍：單極性0 V至10 V/0 mA至20 mA、雙極性±10 V/±20 mA以及所有子范圍（例如用于過程自動化的4 mA至20 mA）。每種設置都提供20%的超量程范圍。這些值的輸出采用16位分辨率。

什么性能使AD5758特別適合溫度和空間受限的應用？損耗主要發(fā)生在帶有DC-DC轉(zhuǎn)換器和輸出驅(qū)動器級的電源部分。這正是智能電源管理的用武之地。AD5758具有自適應負載調(diào)整或動態(tài)功率控制(DPC)功能。DPC在電流輸出模式下激活，并控制驅(qū)動特定負載所需的驅(qū)動器級上的電壓。根據(jù)工作條件，電流輸出的負載電壓僅占電源電壓的一小部分。電源電壓差必須事先以功率損耗的形式通過串聯(lián)晶體管加以耗散。

DPC現(xiàn)在將驅(qū)動器電壓調(diào)節(jié)到比實際所需的負載電壓高幾伏特，從而將損耗降至最低。只有利用開關穩(wěn)壓器才能以這種方式進行電壓的有效調(diào)節(jié)，而該器件已經(jīng)集成在AD5758中，并可根據(jù)負載進行自動控制。即使在開關穩(wěn)壓器和上游電源中出現(xiàn)額外的損耗，總體功率損耗的降低仍然非常明顯，尤其對于小負載電阻更是如此。這首先使小尺寸設計成為可能，而且電路板也能保持良好的散熱。

降額定義為在規(guī)定邊界條件下的性能降低，類似于功率半導體中的安全工作區(qū)(SOA)。由于前面提到的功率損耗和相關的冷卻問題，未采用DPC的輸出模塊受到更嚴格的熱限制。如今，信用卡大小的模塊上具有兩個或四個通道很常見。通常模塊的額定環(huán)境溫度最高為60°C。

但是，在這些環(huán)境條件下，并非所有四個通道都可以驅(qū)動非常小的負載，因為在未采用DPC的四個通道中，模塊中的功率損耗會達到3 W，產(chǎn)生的熱量會使元件快速達到其極限值。通過熱降額，模塊制造商在較高的環(huán)境溫度下僅能使用四個可用通道中的一個或兩個，從而大大降低了可用性和通道成本性能。

由于AD5758具有自適應調(diào)節(jié)功能，其功率損耗僅在很低程度上取決于負載電阻，對于0 kΩ至1 kΩ的負載，其功率損耗始終保持在250 mW以下。因此，根據(jù)輸出模塊的設計，將能實現(xiàn)八個隔離通道，其總體功率損耗<2 W。5 mm × 5 mm LFCSP封裝的結(jié)至環(huán)境熱阻ΘJA為46 K/W，在200 mW的功率損耗下溫升小于10°C。AD5758的額定環(huán)境溫度可高達115°C。這為多通道模塊提供了很大的裕量，無需降額。

邏輯電壓：除了（工作模式取決于單極性或雙極性）驅(qū)動器電源之外，AD5758輸出IC還需要一個3.3 V的邏輯電壓為內(nèi)部模塊供電。這可以利用片內(nèi)LDO穩(wěn)壓器產(chǎn)生；但是，為了提高效率并降低功率損耗，建議使用開關穩(wěn)壓器。

隔離式驅(qū)動器電源：出于安全考慮，PLC總線與I/O模塊之間始終保持電氣隔離。采用不同顏色顯示了這種隔離，其中包括邏輯（總線）端、電源和現(xiàn)場端輸出的三種不同電位。因為通常在電路板上也會對這三個部分進行空間分隔，即輸出端朝向正面連接器端子設置，而背板總線（顧名思義）位于背面，所以將隔離、電源和輸出驅(qū)動器集成到單芯片中并不明智。

電源管理單元ADP1031執(zhí)行所有功能，并與AD5758搭配工作，能夠在更小的空間需求和功率損耗下實現(xiàn)隔離式輸出模塊的開發(fā)。反激式轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢是效率高；僅需一個小尺寸的1:1變壓器。反激式轉(zhuǎn)換器在第一級可產(chǎn)生高達28 V的隔離驅(qū)動器電壓。由此生成反相器和降壓型轉(zhuǎn)換器，它們共用相同的地電位。

在電源管理單元的設計過程中，ADI公司特別加強了電磁兼容性(EMC)和魯棒性。例如，輸出電壓相移，且反激式控制器的壓擺率可調(diào)。同時還為所有三個電壓添加了軟啟動、過壓保護和電流限制功能，以實現(xiàn)良好的測量。

隔離式SPI接口基于成熟的iCoupler?技術，可傳輸工作所需的所有控制信號。因此實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)路徑（四個通道）和較低速率的GPIO控制路徑（三個復用通道）之間的區(qū)分。潛在的應用是通過共同的控制信號同步激活多通道模塊或多個模塊中的輸出，回讀錯誤標志或觸發(fā)安全關斷。
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