自适应负载调整和动态功率控制实现模拟输出高效散热设计

自适应负载调节和动态功率控制实现模拟输出的高效冷却设计

电子工程世界

当今典型的可编程逻辑控制器(PLC)包含许多模拟和数字输出，用于控制和监控工业和生产过程模块化被广泛使用，涵盖了模拟输入/输出和数字输入/输出在输入和输出方面的基本功能模拟输出带来了特殊的挑战(如图1所示)，因为需要在许多不同的负载条件下提供高精度的主动驱动设置。此时，主动驾驶员级别变得尤为重要；损失应该尽可能小。

需要考虑以下因素:

连接负载

最大允许环境温度和内部模块温度

通道数和模块尺寸

电气隔离接口

精密

在过程自动化中，通常需要在各种输出通道之间建立电气隔离此外，还有其他要求，如基于通道的诊断或对HART信号的支持。健壮性和容错也是必要的

图1。隔离模拟输出系统框图

随着半导体的发展和混合信号技术的不断改进，具有高集成密度的超小电路成为可能。模拟输出通道的功能可以完全集成到集成电路中因此，AD5758将数模转换器和驱动器的基本功能集成在一个5 mm × 5 mm的封装中，并集成了许多其他模拟和逻辑功能，如用于诊断的模数转换器、智能电源管理、基准电压源、防止反向和过压的故障开关、数据校准寄存器和SPI通信接口

AD5758(图2)涵盖自动化中使用的所有常见输出范围:单极性0 V至10 V/0 mA至20 mA、双极性10 V/ 20 mA以及所有子范围(例如，用于过程自动化的4 mA至20 mA)每个设置提供20%的超量程范围这些值的输出使用16位分辨率。

图2。2的功能框图。AD5758

功耗大大降低

什么性能使它特别适合温度和空间有限的应用？损耗主要发生在具有DC-DC转换器和输出驱动器级的电源部分这是使用智能电源管理的地方。AD5758具有自适应负载调整或动态功率控制(DPC)功能。DPC在电流输出模式下激活，并控制驱动特定负载所需的驱动级电压根据工作条件，当前输出负载电压(I × RLOAD)仅占电源电压的一小部分。电源电压差必须通过串联晶体管以功率损耗的形式预先耗散掉。DPC现在将驱动器电压调整到比实际所需负载电压高几伏(为输出晶体管留出余量)，以将损耗降至最低只有使用开关调节器才能以这种方式有效地调节电压，该器件已经集成在AD5758中，并且可以根据负载自动控制。即使在开关调节器和上游电源中出现额外的损耗，总的功率损耗降低仍然非常明显，特别是对于小负载电阻(见表1)这首先使得小尺寸设计成为可能，并且电路板可以保持良好的散热。

表1。当输出电流I = 20 mA且固定电源电压为24 V时的理论损耗(不考虑DC-DC的内部功耗和效率)

r load

V load(V)

损耗，无DPC (mW)

损耗，DPC (mW)

降低(mW)

0ω

0

488由于前述的功率损耗和相关的冷却问题，不采用DPC的输出模块受到更严格的热限制。如今，在一个信用卡大小的模块上有两个或四个通道是很常见的。通常，模块的额定环境温度高达60℃然而，在这些环境条件下，并非所有四个通道都能驱动非常小的负载，因为在没有DPC的四个通道中，模块中的功率损耗将达到3 W，并且所产生的热量将使元件快速达到其极限值。通过热降额(图3)，模块制造商在较高的环境温度下只能使用四个可用通道中的一个或两个，从而大大降低了可用性和通道成本性能

图3。典型降额曲线

由于AD5758具有自适应调节功能，其功耗仅在很小程度上取决于负载电阻。对于0kω至1kω的负载，其功率损耗始终保持在250 mW以下(表2)因此，根据输出模块的设计，可以实现8个隔离通道，它们的总功率损耗< 2 W5 mm × 5 mm LFCSP封装的结至环境热阻θ ja为46 K/W，在200 mW功耗下，温升小于10°C。AD5758的额定环境温度最高可达115°c。这为多通道模块提供了很大的余量，而不会降低性能。

表2。DPC运行模式下功率测量值为2。I = 20 mA，电源= 24V

r load

r load

r load voltage

(V)

负载电压

(V)

PTOTAL

(MW)

p总计

(mW)

plo

电源优化

电源电压有不同的要求:

逻辑电压:除了(工作模式取决于单极性或双极性)驱动器电源外，AD5758输出集成电路需要3.3 V的逻辑电压来为内部模块供电这可以使用片内LDO调节器产生；然而，为了提高效率和降低功耗，建议使用开关调节器。

隔离驱动电源:出于安全原因，可编程逻辑控制器总线和输入/输出模块之间始终保持电气隔离图1以不同颜色显示了这种隔离，包括逻辑(总线)端子、电源和现场端子输出的三种不同电位

将隔离、电源和输出驱动器集成到单个芯片中是不明智的，因为这三个部分通常在电路板上是空间分离的，即输出端子朝向前连接器端子，而背板总线(顾名思义)位于背面。

电源管理单元ADP1031(图4)执行所有功能，并与AD5758配合工作，以实现隔离输出模块的开发，同时降低空间要求和功耗(图5)

图4。电源管理单元ADP1031

ADP1031在9 mm × 7 mm封装中集成四个模块:

反激式转换器，用于产生正隔离电源电压VPOS

逆变器，用于产生双极性输出所需的负功率VNEG

降压转换器，为AD5758逻辑电路提供VLOG

隔离式SPI数据接口，带额外的GPIO

反激变换器具有高效率的优点。只需要一个小的1:1变压器。反激式转换器可以在第一级产生高达28 V的隔离驱动电压因此，产生了逆变器和降压转换器，它们共享相同的地电位。

在电源管理单元的设计过程中，ADI公司特别增强了电磁兼容性和鲁棒性。例如，输出电压是相移的，回扫控制器的压摆率是可调的同时，所有三个电压都增加了软启动、过压保护和限流功能，以实现良好的测量。

隔离式SPI接口基于成熟的iCoupler技术，可以传输工作所需的所有控制信号。因此，实现了高速数据路径(四个通道)和低速GPIO控制路径(三个多路复用通道)之间的区别潜在应用是通过公共控制信号同步激活多通道模块或多个模块中的输出，回读错误标志或触发安全关断。

系统的优势

AD5758和ADP1031的结合提供了隔离模拟输出的全部功能，只需要两个芯片尺寸约为13 mm × 25 mm，通道空间要求较小，仅为当前解决方案的一半除了节省空间之外，

还集成了一些关键功能，使布局更简单，潜在的分离更容易，硬件成本显著降低ADI公司的8通道演示设计仅使用一个尺寸为77 mm × 86 mm的六层电路板(图6)总结

的优点:

使模块更小，每个模块有更多的通道

而不通过功耗优化降额，允许更高的环境温度

来减少硬件工作负载，从而降低成本

容易实现多通道模块的可扩展性

可靠的设计和更多的诊断功能

图5。利用ADP1031和AD5758实现完整的4通道模拟输出

图6。隔离式8通道声光模块

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