利用多功能DAC AD5755芯片解決提高效率并降低功耗的設計問題

概述

可編程邏輯控制器（PLC）使用邏輯、時序控制、定時、計數(shù)和算術算法等快速、確定性的功能來控制機器和過程。PLC使用模擬和數(shù)字信號與終端節(jié)點通信，例如讀取傳感器和控制執(zhí)行器。典型的通信方法包括電流/電壓環(huán)路、Fieldbus1和工業(yè)以太網(wǎng)2協(xié)議。

隨著工業(yè)遠程應用領域傳感器和控制節(jié)點數(shù)的不斷增加，控制器中I/O模塊節(jié)點數(shù)也相應增加，一些分布式控制系統(tǒng)（DCS）能夠處理成千上萬的節(jié)點。如此密集的節(jié)點使溫度相關的挑戰(zhàn)難度越來越大，尤其是對于4mA至20mA環(huán)路通信標準的系統(tǒng)。

對系統(tǒng)設計人員而言，最大且最密切相關的挑戰(zhàn)是提高效率并降低功耗，因為現(xiàn)有系統(tǒng)的低效率導致電能浪費，運營成本增加。本文將說明設計更高效率系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)，并介紹一款多功能、4通道、16位數(shù)模轉換器（DAC） AD5755，它作為一種集成度更高的解決方案有助于解決這些問題。

系統(tǒng)

典型工業(yè)控制系統(tǒng)的通信分層情況如圖1所示。直到最近，分布式輸入/輸出（遠程I/O和PLC）通常仍然使用Modbus3， PROFIBUS4 （程現(xiàn)場總線）或Fieldbus等開放或專有協(xié)議進行連接。如今，業(yè)界對使用PROFINET5的興趣日漸增強，它是一種設計用于在以太網(wǎng)設備之間快速交換數(shù)據(jù)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

圖1. 控制系統(tǒng)的層級結構

PROFINET的優(yōu)勢包括：

速度更快，從RS-232的9.6 kbps提高到1 Gbps。

改進的整體性能。

距離更長。

能夠使用標準接入點、路由器、交換機、集線器、電纜和光纖，這比等效串行端口設備便宜得多。

一條鏈路可以有兩個以上的節(jié)點。這對于RS-485是可行的，但對于RS-232則不可行。

在“現(xiàn)場”級，用于將工業(yè)驅動器、電機、執(zhí)行器、控制器與PLC/DCS I/O系統(tǒng)互連的現(xiàn)場總線協(xié)議為數(shù)眾多，包括DeviceNet，? CAN6， InterBus，?7和上述PROFIBUS、Fieldbus。

輸入輸出（I/O）控制器連接工廠或過程環(huán)境中的傳感器和控制執(zhí)行器，并通過上述模擬和數(shù)字方式與多個終端節(jié)點通信。本身安全的系統(tǒng)通過4mA至20mA電流環(huán)路進行連接，一些系統(tǒng)則使用隔離技術。控制處理器通常為8位至32位處理器，性能最高可達100 DMIPS（Dhrystone百萬條指令/秒）。工廠自動化設備結實耐用，能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中工作而不需要風扇。

圖2顯示了幾個8通道模擬I/O模塊的例子。由于其尺寸小，因此功耗有限，有些甚至不到5 W。

圖2. I/O模塊

模擬4mA至20mA電流環(huán)路常用于工業(yè)過程控制的信號傳輸，4mA代表范圍的低端，20mA代表范圍的高端。電流環(huán)路的主要優(yōu)勢在于信號精度不受互連線路的壓降影響，而且環(huán)路可以提供最高4 mA電流為器件供電。即使線路電阻很大，電流環(huán)路變送器也會在其電壓能力范圍內(nèi)維持適當?shù)碾娏鳌?/p>

通過4mA所代表的“活動—零”狀態(tài)，接收儀表可以檢測環(huán)路的一些故障（例如：0mA表示開環(huán)，3mA表示傳感器發(fā)生故障），雙線變送器設備也能通過環(huán)路電流供電。此類儀表用于測量壓力、溫度、流量、pH值和其它過程變量，以及控制閥門定位器或其它輸出執(zhí)行器。模擬電流環(huán)路中的電流可以在環(huán)路中的任一點，通過一個串聯(lián)精密電阻轉換為電壓輸入。儀表的輸入端可能會將電流環(huán)路的一端連接到機殼（大地），因此當串聯(lián)連接多個儀表時，可能需要模擬隔離器。

功耗考慮

在圖3所示的系統(tǒng)中，一個通道配置為4mA至20mA通信（本例中為從DAC驅動一個執(zhí)行器負載）。執(zhí)行器的端接電阻決定環(huán)路所需的最大電源電壓。例如，100?電阻至少需要2 V電壓才能提供20 mA電流。如今的系統(tǒng)必須能夠驅動最高達（有時甚至超過）1 k?的負載，這是很常見的要求。對于這一負載阻抗和20 mA的滿量程電流，電源需要提供至少20 V電壓。所產(chǎn)生的功率為：

P = V × I = 20 V × 0.02 A = 0.4 W.

如果負載阻抗變?yōu)?00 ?，使用同一電源（有效條件）時，即使只需要0.04 W功率，功耗仍將為0.4 W。這種情況下，系統(tǒng)的效率損失為90%，360 mW功率遭到浪費。

圖3. 當滿量程輸出遠低于電源電壓時，功率被浪費

對于一個8通道模塊，20 V電源下的總功耗將為3.2 W，其中多達2.88 W的功率遭到浪費（如果所有負載均為100 ?）。這種情況下，自熱效應和功耗預算的提高開始演變成問題。模塊內(nèi)的溫度升高可能導致系統(tǒng)誤差增大，各個器件的漂移特性需要納入系統(tǒng)整體的誤差預算中加以考慮。

設計人員會考慮各種辦法來解決這些問題：

增大模塊尺寸以支持更多功耗，但成本會增加，因而這種解決方案的競爭力不強。

使用散熱和/或風扇控制，這是一種昂貴的解決方案，同時會增大空間。事實上，在一些安全關鍵應用中，不允許使用這種溫度控制設備。

減小最大負載阻抗，以便限制電路的整體功耗。在一些應用中，這會限制性能，導致系統(tǒng)的市場競爭力下降。

無論如何，在更小的空間中提供更多的通道這一趨勢會給許多系統(tǒng)設計人員帶來散熱和功耗方面的困擾。

一種有助于解決此問題的方法是從5V電源入手。監(jiān)控輸出負載電壓，然后根據(jù)需要有效升壓并調節(jié)輸出電壓。圖4顯示5V電源和一款高效率DC/DC升壓轉換器利用反饋控制提供適當?shù)妮敵鲭妷?，使片?nèi)功耗最小。

圖4.動態(tài)電源控制原理

AD5755系列4通道、16位、串行輸入、電壓和電流輸出DAC能夠提供這種閉環(huán)動態(tài)電源能力（見附錄—圖A）。它的每個通道都能以16位分辨率提供電流或電壓，輸出端由動態(tài)電源控制下的DC/DC轉換器供電，因此該器件相當于在一個非常緊湊的9mm × 9mm × 0.8mm封裝中提供4個低功耗節(jié)點。

圖5的簡化電路顯示了使用感性升壓電路的動態(tài)電源控制工作原理。每個通道都能提供30 V以上的升壓輸出電壓。動態(tài)電源控制機制利用反饋調節(jié)輸出電壓，然后經(jīng)過電阻分壓器分壓后與內(nèi)部誤差放大器中的基準電壓進行比較，產(chǎn)生一個誤差電流。開關周期開始時，MOSFET開關接通，電感電流緩升，然后測量轉換為電壓的MOSFET電流。當電流檢測電壓大于誤差電壓時，MOSFET斷開，電感電流緩降，直到內(nèi)部時鐘啟動下一個開關周期。在電流模式下調節(jié)輸出電源電壓采用類似方案，此時使用的是反饋誤差電流。

圖5.具有電源控制功能的升壓電路

用戶可以切換各通道的DC/DC轉換器開關信號的頻率和相位，以實現(xiàn)電路和器件的優(yōu)化。

可編程開關頻率：可編程DC/DC時鐘相位：

能夠改變DC/DC開關頻率，支持系統(tǒng)優(yōu)化和更靈活地選擇外部器件能夠改變各DC/DC模塊的時鐘沿相位，支持系統(tǒng)優(yōu)化

333 kHz所有四個通道的時鐘沿同相

400 kHzA、B通道的時鐘沿同相，C、D通道的時鐘沿同相但與A、B通道相反

500 kHzA、C通道的時鐘沿同相，B、D通道的時鐘沿同相但與A、C通道相反

667 kHzA、B、C、D通道的時鐘沿彼此錯相90°（0°、90°、180°和270°）

對輸出驅動器實行動態(tài)電源控制的目的是使封裝功耗最小。典型IC的內(nèi)部結溫（TJMAX）最高可達125°C。假設系統(tǒng)的環(huán)境溫度TA為85°C。LFCSP封裝的熱阻θJA典型值為28°C/W。容許的片內(nèi)功耗可以通過下式計算

不采用動態(tài)電源控制時，假設使用24V電源，則每個通道的最差情況功耗可以通過下式計算：

功耗 = 電源電壓 × 最大電流

= 24 V × 20 mA

= 0.48 W

在同樣的條件下，4個通道的功耗將接近2 W，這會給模塊和半導體電路帶來問題。啟用動態(tài)電源特性時，AD5755調節(jié)電源，使片內(nèi)功耗降至最低。圖6顯示了啟用和禁用動態(tài)電源（固定電源）兩種情況下每個通道的功耗對比。

圖6. 啟用和禁用動態(tài)電源控制兩種情況下的功耗對比

啟用動態(tài)電源功能時，在24 mA輸出電流下片內(nèi)功耗約為50 mW，而無調節(jié)時的片內(nèi)功耗則為400 mW。這種控制片內(nèi)功耗的能力非常有用，系統(tǒng)設計人員在提高系統(tǒng)通道數(shù)的同時可以使模塊功耗降至最低，從而不需要考慮繁瑣而昂貴的方法來控制系統(tǒng)溫度。

故障狀況下的系統(tǒng)差錯校驗與診斷

對于工業(yè)應用，必須能夠監(jiān)控并報告系統(tǒng)級故障，在故障狀況下?lián)碛斜M可能多的系統(tǒng)控制權至關重要。AD5755包括許多片內(nèi)診斷特性，能夠為用戶提供系統(tǒng)級差錯校驗功能。

發(fā)生故障時，一個重要考慮是控制DAC的MCU/DSP會如何。由于不能控制輸出，用戶將完全失去對系統(tǒng)的控制。AD5755有一個看門狗定時器（超時可編程設定），如果它在超時期限內(nèi)沒有收到SPI接口傳來的命令，就會設置警告標志（高電平有效）。需要時，此ALERT引腳可以直接連到清零引腳（也是高電平有效），以便將輸出設置為已知的安全狀態(tài)（圖7）。AD5755的每個通道都有一個16位可編程清零碼寄存器，用戶可以靈活地將輸出清零為任意碼。

圖7.看門狗定時器設置控制信號丟失標志并使DAC返回到清零設置

在高噪聲工業(yè)環(huán)境中，即使MCU正常工作，通信信號也可能遭到破壞。為了應對這種可能性，AD5755具有可選的分組差錯校驗（PEC）功能，它實施一種CRC8多項式例程。該功能可以通過軟件使能或禁用，確保輸出不會錯誤地更新。

輸出端接線錯誤常會導致連接開路或短路，有可能會造成系統(tǒng)損壞。（即使沒有發(fā)生損壞，問題也往往難以診斷。AD5755具有開路和短路檢測功能，可以即時設置故障標志，提醒技術人員處理相關問題。）此外，當發(fā)生短路時，短路保護功能可以限制輸出電流。所有故障都可以通過SPI接口或硬件故障引腳傳達，以便用戶即時采取處理措施。

靈活的輸出范圍編程功能

為了處理所需的各種電壓和電流，AD5755的各通道都可提供許多可編程范圍，包括：4 mA至20 mA、0 mA至24 mA、0 mA至20 mA、0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V、±10 V和±12 V。用戶也可以對各通道的各種范圍的增益和失調進行數(shù)字化編程。這些增益和失調寄存器具有16位分辨率。例如，為了設置0V至10.5V輸出范圍（如圖8所示），首先選擇0V至12V范圍，然后編程設置增益碼，將范圍調整到10.5 V。完成增益調整后，輸出范圍即為0V至10.5V，并具有16位分辨率。失調的編程設置方式與此相似。

圖8.任意范圍縮放

通過4mA至20mA電流環(huán)路傳輸附加信息

純4mA至20mA電流環(huán)路的缺點是只能單向傳輸單個過程變量，這對于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)是個限制?？蓪ぶ愤h程傳感器高速通道（HART）標準的發(fā)展為4mA至20mA通信線路開啟了新的可能。

HART提供數(shù)字雙向通信機制，兼容4mA至20mA電流環(huán)路。在4mA至20mA模擬電流信號之上疊加一個1mA峰峰值頻移鍵控（FSK）信號?；贐ELL 202通信標準，所用的兩個頻率為1200 Hz（邏輯1）和2200 Hz（邏輯0），如圖9所示。

圖9. 疊加于不斷增大的環(huán)路電流之上的HART信號

AD5755可以配置為僅利用兩個外部器件來傳輸HART信號。HART調制解調器的輸出經(jīng)過衰減后，交流耦合至AD5755的CHART引腳；這導致調制解調器輸出在4mA至20mA模擬電流上進行調制，而不會影響該電流的“直流”電平。圖10中的電路顯示AD5755如何與HART調制解調器接口以實現(xiàn)這種雙向通信形式。

圖10. AD5755用于HART通信

HART規(guī)范要求模擬電流的最大變化速率不得干擾HART通信。很顯然，電流輸出的步進變化可能會中斷HART信號傳輸。幸運的是，AD5755提供可控制的壓擺率，啟用該功能后，用戶可以通過數(shù)字方式限制電流輸出的壓擺率。

AD5755完整解決方案

圖11顯示采用AD5755的典型設置。（圖中顯示了一個HART調制解調器通道，但有四路HART輸入可用，每個通道一路輸入。）當使能動態(tài)電源控制特性時，每個通道需要四個外部器件：一個飽和電流約為1A的電感、一個開關二極管和兩個具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）的電容。利用極少的外部器件，AD5755提供一款集成的單芯片、高性能系統(tǒng)解決方案。總非調整誤差（TUE）典型值為0.01%，其中包括25°C時的所有增益和失調誤差。

圖 11. AD5755設置

結論

隨著所需通道數(shù)和各模塊通道密度同步提高，系統(tǒng)設計人員面臨著許多問題：如何在提高通道數(shù)量的同時保持較小的模塊尺寸？如何提高通道數(shù)量并設計高能效系統(tǒng)，同時使系統(tǒng)的自熱效應和漂移誤差保持最小？就輸出編程性能而言，如何為客戶提供最大的靈活性？提供哪些安全特性和診斷功能，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠并能夠輕松找出問題所在？

AD5755是一款采用9mm × 9mm CSP封裝的4通道器件，能夠大幅減小系統(tǒng)的電路板面積并提高通道密度。其動態(tài)電源控制特性能夠調節(jié)片內(nèi)功耗，使模塊功耗降至最低。此外還有片內(nèi)診斷功能，包括看門狗定時器、PEC差錯校驗及開路/短路檢測和保護，穩(wěn)定可靠的設計使它能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中工作，讓最終用戶更有信心。AD5755是一款真正的片上系統(tǒng)解決方案。

附錄

有關四通道DAC AD5755的更多信息

四通道電壓和電流輸出DAC AD57558采用–26V至+33V電源供電。在電流模式下，片內(nèi)動態(tài)電源控制功能可以在7V至30V范圍內(nèi)調節(jié)輸出驅動器的電壓，使封裝功耗最小。

AD5755采用多功能三線式串行接口，能夠以最高30MHz的時鐘速率工作，并與標準SPI，?、QSPI?、MICROWIRE?、DSP和微控制器接口標準兼容。該接口還提供可選的CRC-8分組差錯校驗功能，以及用于監(jiān)控接口活動的看門狗定時器。

AD5755具有16位分辨率和單調性，同一引腳提供電壓或電流輸出，并具有用戶可編程的失調和增益、片內(nèi)診斷功能和片內(nèi)5 ppm/°C（最大值）基準電壓源，工作溫度范圍–40°C至+105°C?？捎秒娏鬏敵龇秶鸀?mA至20mA、4mA至20mA和0mA至24mA±0.05%，可用電壓范圍為0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、±6V和±12V±0.05%。