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具有保護功能、適用于過程控制模擬輸出 的精密、穩健解決方案
前言：
作者：ADI 公司 | David Forde - 應用工程師 Claire Croke - 應用工程師 Jean McAdam - 戰略營銷經理
工業過程需要對執行器進行精準而穩健的控制，以便管理流量、溫度和壓力等過程參數。精密模擬輸出模塊，即所謂可編程邏輯控制器(PLC)或分布式控制系統(DCS)，可產生用于控制此類執行器的電壓或電流輸出。這些模塊需要在惡劣的工業環境中提供穩定、可靠、精確的輸出。
ADI公司的單通道16位I/V輸出DACAD5423和過壓保護SPST開關ADG5401F的組合，符合此類控制需求，能夠滿足模擬輸出模塊的要求。
精密
精密是AD5423的一個主要特性。在電壓輸出模式下，25°C時的TUE低至±0.01％（整個溫度范圍為±0.05％），典型輸出漂移為0.35 ppm FSR/°C。在電流輸出模式下，25°C時的TUE也是±0.01％，典型輸出漂移為2 ppm FSR/°C。所有輸出模式下的差分非線性(DNL)為±1 LSB，保證單調性。
精密開關ADG5401F的導通電阻(RON)為6Ω，集成了輔助反饋通道，用于將通道IOUT/VOUT連接至AD5423的+VSENSE輸入，這樣就消除了任何與ADG5401F導通電阻變化相關的誤差。ADG5401F在整個溫度范圍內的最大導通漏電流為40 nA。對于16位4 mA至20 mA電流輸出DAC，此漏電流不足1 LSB，輸出信號鏈的精度不受影響，動態范圍可最大化。
穩健
ADG5401F過壓保護SPST開關用在AD5423 DAC的模擬輸出上，在通電和無電狀態下均能提供過壓保護。ADG5401F的源極(S)和源反饋(SFB)引腳可承受最高±60 V的過壓。
這將保護精密模擬輸出節點不會因為系統掉電、接線錯誤、電源時序等問題而損壞。圖1詳細顯示了模擬輸出模塊中應如何連接AD5423和ADG5401F。
圖1.AD5423和ADG5401F配置
ADG5401F電源設置過壓故障閾值，如果源極引腳（S或SFB）上的電壓超過ADG5401F電源電壓，則認為發生故障，主開關通道和輔助反饋通道將自動斷開。
當開關通道在故障期間斷開時，任何大的故障電流都會被禁止流回DAC輸出和系統電源。在過壓事件期間沒有大的故障電流流動，因此系統功耗不再受故障功耗約束，系統電源所需的設計工作量得以減少。ADG5401F允許系統移除輸出信號路徑中的限流電阻，該電阻在某些應用中可能引起負載裕量問題。
ADG5401F集成一個防開環開關。如果VOUT/IOUT節點遭受過壓信號，ADG5401F將啟動過壓保護模式，主通道和輔助反饋通道開關均會斷開。與此同時，內部防開環開關（D和DFB之間的內部連接）將閉合。該防開環開關使DAC輸出反饋環路保持完整，并防止DAC將輸出鉗位到電源軌。
為實現高壓瞬變保護，例如IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4電快速瞬變脈沖群(EFT)和IEC 61000-4-5浪涌，應使用分立電阻和瞬變電壓抑制(TVS)器件實施類似圖2所示的電路。將電阻放在系統的反饋環路內，使電阻不會給系統輸出增加任何誤差。
圖2.ADG5401F電路圖
表1.高壓瞬變保護
|
IEC 61000-4瞬變 |
保護級別(kV) |
|
ESD（接觸） |
±6 |
|
EFT |
±4 |
|
浪涌 |
±4 |
診斷
AD5423內置一個12位內部診斷ADC，可以提供關于用戶可選輸入（例如電源、地、內部裸片溫度和基準電壓源）的診斷信息。
片內診斷寄存器包含用于指示各種故障情況的標志，以及因為任何故障而觸發的FAULT引腳。電壓輸出模式下會監視短路檢測，電流輸出模式下會監視開路檢測。AD5423還提供循環冗余校驗(CRC)，可對接收到的數據進行校驗；如果當前數據包看起來不正確，則觸發FAULT引腳。它還提供溫度監控功能，如果芯片溫度超過設定的限值，就會記錄故障。
圖3.AD5423功能框圖
結論
AD5423和ADG5401F相互配合，共同提供工業過程應用所需的精密性和穩健性。AD5423的16位I/V輸出可提供現代模擬輸出模塊所需的精確控制信號，而ADG5401F則能保持該精度，并在惡劣環境中提供強大的保護以防止外部影響造成系統失效或者精度降低。
作者簡介
David Forde于2006年畢業于卡羅理工學院，獲集成電路設計專業理學學士學位，畢業后即加盟ADI公司，任布局工程師。2011年，他畢業于利默里克大學，獲VLSI系統專業工程碩士學位；2015年，他加盟儀器儀表與精密技術事業部，任應用工程師，為模擬開關和多路復用產品系列提供支持。聯系方式：david.forde@analog.com。
Claire Croke于1999年加入ADI公司，目前在愛爾蘭精密開關和多路復用器部門擔任營銷工程師。Claire之前在ADI公司精密轉換器應用團隊工作。她畢業于愛爾蘭利默里克大學，獲電子工程學士學位。聯系方式：claire.croke@analog.com。
Jean McAdam是ADI公司過程控制和自動化戰略營銷經理。在此之前，她負責ADI平臺客戶評估解決方案的營銷活動，并擔任軟件系統工程師兼軟件開發人員。她畢業于利默里克大學，獲電子和計算機工程學士學位。聯系方式：jean.mcadam@analog.com。
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