工業4.0已經徹底改變了制造業，改變了工廠的設計和實施方式。在工廠自動化和過程控制應用中，Industry 4.0的影響歸結為兩個基本概念：分散式系統和智能確定性系統的擴散。分散式系統固有地需要進行模塊化設置，并具靈活性。高效、低功耗和熱優化的設計是這些系統的關鍵推動因素。智能確定性系統是可以早期檢測故障并提高可靠性的模塊。

在工廠自動化和過程控制應用中，數模轉換器（DAC）通常在用于可編程邏輯控制器（PLC）和傳感器發射器的模擬輸出中被發現。這兩種情況下，DAC都可用于傳送電壓輸出或電流輸出。

DAC8775是TI最新的高精度DAC，通過包括4-20mA驅動器、電壓輸出和片上自適應電源管理在行業中最具集成性。在這篇博文中，將提供與DAC8775相關的設計技術示例，并探索如何設計這個行業的當前趨勢。

許多系統控制器由于傳感器數量的增加而處理數百個輸入/輸出（I / O）點。這給設計人員提供了一個挑戰，即將更多的I / O通道融入一個小型形狀系數，增加了對熱優化和高效率系統的需求。大多數模擬輸出模塊4-20mA驅動電路采用具有增益級的高側電壓—電流轉換電路。圖1所示為典型的架構。

由放大器A1建立的回路將DAC輸出電壓轉換成電流。通過負反饋，放大器A1將RSET兩側的電壓設置為等于DAC輸出。RSET兩側的這個電壓降將設定流過第一級IM的電流。（假設IRSET等于IM的理想情況）。通過使用由放大器A2和RMIRROR和RSENSE電阻對的組合建立的回路，產生的電流IM進一步被增益。放大器A2將強制RSENSE兩側的電壓等于VMIRROR。通過與RMIRROR和RSENSE的比例成正比的因子，這產生了從IM增益的負載電流。如圖1所示，RLOAD通常表示線性執行器負載，如同PLC系統的情況。由于目前通過RMIRROR不提供負載，這將直接降低系統的效率。良好的設計實踐是將該電流最小化，將其設置為小于輸出電流的1％。出于計算的目的，假設RMIRROR和RSENSE之間的高比率（> 1到100），我們忽略IM。

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圖1：高側電壓 - 電流轉換器

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在典型情況下，VPOS電壓可以在12-36V之間變化。RLOAD也可以從短電阻到1kΩ變化。為了說明這一點，可以考慮我們的第一個示例，即VPOS等于36V，RLOAD等于1Ω的情況。當閥門設定為滿量程時，控制器將通過負載驅動20mA。這意味著負載消耗的功率是PLOAD = I2R = 0.4mW。

所產生的總功率為Pgenerated = VI = 0.72W。從這個例子可以看出，電壓— 電流轉換電路耗散剩余的功率：0.72W-0.4mW = 0.7196W。這是一個非常低效的系統，并將導致系統溫度的不必要地增加。

考慮第二個示例，其中負載阻抗較高，為1kΩ。在這種情況下，PLOAD = I2R = 0.4W。所產生的總功率為Pgenerated = VI = 0.72W。電壓 - 電流轉換電路耗散其余功率：0.72W-0.4W = 0.32W。

您可以想象，如果存在大量的功率損耗，在這么小的空間中增加更多的通道將變得不可持續，這直接增加系統溫度，降低可靠性并增加故障。我給出的示例顯示單通道設計的功率損耗。在存在四個通道的情況下，第一個和第二個示例中的功率損耗分別接近2.8W和1.2W。

由于功率損耗隨著更高通道數模塊的使用而急劇增加，一種可能的解決方案是根據負載自適應地更改VPOS供應。您可以通過添加一個簡單的反饋網絡并使用降壓/升壓轉換器為負載提供必要的電源來實現。這樣的系統將如圖2所示的框圖。

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圖2：具有降壓/升壓轉換器的高端電壓—電流轉換器

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在這種設計技術中，降壓/升壓轉換器將檢測驅動負載的輸出FET的漏極—源極電壓，并產生內部成比例的誤差電流。通過復雜的狀態機算法，設備將決定降低或提升電源。該技術在四通道DAC8775中得以實現，從而實現更高的效率。

如果使用與第一個示例相同的值，當負載為1Ω時，降壓/升壓轉換器會將DAC的電源降低，從而獲得所需的最小電源。在DAC8775的情況下，將低至4.5V。

如在第一個示例中，PLOAD = I2R = 0.4mW。產生的總功率為Pgenerated = VI = 0.09W。電壓—電流轉換電路耗散其余功率：0.09W-0.4mW = 89.6mW。因此，與示例1相比，功耗提高了8倍。