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簡化隔離式軟件可配置I/O通道設計的高集成度、系統級方法
前言：
作者：ADI應用工程師Valerie Hamilton
為過程控制、工廠自動化、樓宇控制系統等工業應用設計系統級隔離式I/O解決方案時，有許多方面需要考慮，其中包括功耗、數據隔離和外形尺寸。圖1顯示了系統解決方案，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。通過將ADP1034的電源和數據隔離功能與AD74115H的軟件可配置能力相結合，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。
圖1.ADP1034和AD74115H電路圖
系統級解決方案
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壓器、一個反相降壓升壓調節器和一個降壓調節器，提供三個隔離式電源軌并集成了七個低功耗數字隔離器。ADP1034還具有可編程功率控制(PPC)功能，可通過單線接口按需調整VOUT1上的電壓。VOUT1為AD74115H AVDD電源軌提供6V至28V的電壓。VOUT2為AD74115H電源軌AVCC和DVCC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。VOUT3為AD74115H AVSS電源軌提供-5V至-24V的電壓。
功耗和優化
設計通道間隔離模塊時，主要的權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、數據隔離和軟件可配置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整VOUT1電壓（AD74115H AVDD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，系統中的主機控制器通過SPI向AD74115H發送所需的電壓代碼，該代碼隨后通過單線串行接口(OWSI)傳遞至ADP1034。OWSI實現了CRC校驗功能，非常穩健，可抵抗惡劣工業環境中可能存在的EMC干擾。
查看功耗計算示例可知，如果AVDD = 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AVDD電壓降至8.6V（負載電壓+裕量）時，模塊功耗約為348mW。這表明模塊內節省了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，驅動20mA輸出。負載為250Ω，使能ADC，以每秒20個樣本轉換默認測量配置。
示例1（無PPC）：
AD74115H輸出功率 = (AVDD = 24V) × 20mA = 480mW
AD74115H輸入功率 = AD74115HQUIESCENT (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AVDD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 = (AVDD = 8.6V) × 20mA = 172mW
AD74115H輸入功率 = AD74115HQUIESCENT (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。測量結果表明，功耗略低于計算的功耗。此結果會因器件而略有不同。
圖2.測量數據：驅動20mA到250Ω負載，AVDD = 24V，AVDD = 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化的AVDD）與不同負載電阻值的關系。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RLOAD的關系
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化的AVDD）與不同負載電阻值的關系。
圖4.功耗與溫度的關系
表1.使用PPC的AD74115H典型用例功耗
|
VINP (V) |
AVDD 電壓 (V) |
用例 |
負載 |
功耗(mW) |
|
|
24 |
8.6 |
電流輸出 |
250? |
322 |
|
|
24 |
18 |
電壓輸入 |
N/A |
250 |
|
|
24 |
18 |
電流輸入外部供電 |
24mA |
HART使能 |
HART禁用 |
|
422 |
334 |
||||
|
24 |
18 |
電流輸入環路通過HART®供電 |
24mA |
456 |
|
|
24 |
16.5 |
電壓輸出雙極性12V范圍 |
1k? |
ZS碼 |
FS碼 |
|
345 |
333 |
||||
|
24 |
18 |
2線RTD |
250? |
260 |
|
|
24 |
18 |
3線RTD |
250? |
295 |
|
|
24 |
18 |
4線RTD |
250? |
268 |
|
|
24 |
18 |
數字輸入邏輯 |
2.4mA灌電流 |
297 |
|
|
24 |
18 |
數字輸入環路供電 |
250? |
667 |
|
|
24 |
12 |
數字輸出內部 |
12V繼電器~278Ω線圈電阻 |
拉電流 |
灌電流 |
|
265 |
295 |
||||
數字輸出用例
在工業應用中，數字輸出被認為是最耗電的使用場景。AD74115H支持內部和外部拉電流與灌電流數字輸出。ADP1034可為內部數字輸出功能提供足夠的功率，支持最高100mA的連續拉電流或灌電流。在這種情況下，數字輸出電路電源DO_VDD直接連接到AVDD。對于100mA以上的電流，必須使用外部數字輸出功能，這需要將額外的電源連接到DO_VDD。
內部數字輸出用例超時
為了支持在初始上電時對容性負載充電，可以在使用內部數字輸出用例的同時，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，在可編程的持續時間T2內有效。在這些短路情況下，系統需要更多電流，因此必須注意確保ADP1034 VOUT1電壓不會驟降。為確保無驟降，如果需要24V DO_VDD，建議將24V電壓作為ADP1034的系統電源電壓。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的系統電源電壓(ADP1034 VINP)，以確保可以為負載提供足夠的電流。
圖5和圖6顯示了DO_VDD與T1和T2短路限值的關系，證明了使用ADP1034提供大電流的穩定性。
圖5.系統電源 = 24V，DO_VDD電壓 = 24V
圖6.系統電源 = 24V，DO_VDD電壓 = 12V
數據隔離和解決方案尺寸
ADP1034采用ADI的iCoupler®專利技術，在7mm × 9mm封裝中集成了三個隔離電源軌，包括SPI數據和三個GPIO隔離通道。這種高集成度將所有通道隔離要求整合到PCB上的一個小區域中，有助于解決PCB面積挑戰，而且實現了省電。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。這意味著通道僅在需要時才處于活動狀態。三個隔離GPIO通道用于隔離AD74115H的¯("RESET" )、¯("ALERT" )和¯("ADC_RDY" )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，哪怕是對于業內一些經驗十分豐富的設計人員而言，也可能是一項挑戰。ADP1034和AD74115H系統級解決方案通過高集成度和系統級設計方法有效化解了此挑戰。由單個IC從單個系統電源提供三個隔離電源軌，并提供集成數據隔離，這使得BOM成本大幅降低。再加上AD74115H的靈活性，該系統設計將能滿足大多數I/O工業應用的要求。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。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助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關于作者
Valerie Hamilton目前在ADI愛爾蘭公司擔任產品應用工程師。她于2014年7月畢業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主要關注工業I/O產品，包括軟件可配置I/O和數模轉換器。
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