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简化隔离式软件可配置I/O通道设计的高集成度、系统级方法

2022-12-28 15:55:42 ADI应用工程师Valerie Hamilton 阅读:
为过程控制、工厂自动化、楼宇控制系统等工业应用设计系统级隔离式I/O解决方案时,有许多方面需要考虑,其中包括功耗、数据隔离和外形尺寸。

为过程控制、工厂自动化、楼宇控制系统等工业应用设计系统级隔离式I/O解决方案时,有许多方面需要考虑,其中包括功耗、数据隔离和外形尺寸。图1显示了系统解决方案,其在隔离式单通道软件可配置I/O解决方案中使用AD74115HADP1034,解决了电源、隔离和面积挑战。通过将ADP1034的电源和数据隔离功能与AD74115H的软件可配置能力相结合,可以仅使用两个IC和非常少的外部电路来设计一个隔离式单通道I/O系统。rwqednc

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1.ADP1034AD74115H电路图rwqednc

系统级解决方案

ADP1034是一款高性能隔离式电源管理单元,包含一个隔离反激式稳压器、一个反相降压升压调节器和一个降压调节器,提供三个隔离式电源轨并集成了七个低功耗数字隔离器。ADP1034还具有可编程功率控制(PPC)功能,可通过单线接口按需调整VOUT1上的电压。VOUT1为AD74115H AVDD电源轨提供6V至28V的电压。VOUT2为AD74115H电源轨AVCC和DVCC提供5V电压。如需要,它还能为外部基准电压源提供电源电压。VOUT3为AD74115H AVSS电源轨提供-5V至-24V的电压。rwqednc

功耗和优化

设计通道间隔离模块时,主要的权衡通常是在功耗和通道密度之间。随着模块尺寸缩小,通道密度增加,每个通道的功耗必须降低,以满足模块的最大功耗预算要求。在这种情况下,模块是指ADP1034和AD74115H,当它们共同使用时,可提供隔离电源、数据隔离和软件可配置I/O功能。rwqednc

AD74115H和ADP1034之所以成为出色的低功耗解决方案,原因在于集成PPC功能的引入。PPC使用户能够按照需求调整VOUT1电压(AD74115H AVDD电源电压)。这种方法可以大大降低模块在低负载条件下的功耗,特别是在电流输出模式下。rwqednc

使用PPC功能时,系统中的主机控制器通过SPI向AD74115H发送所需的电压代码,该代码随后通过单线串行接口(OWSI)传递至ADP1034。OWSI实现了CRC校验功能,非常稳健,可抵抗恶劣工业环境中可能存在的EMC干扰。rwqednc

查看功耗计算示例可知,如果AVDD = 24V且负载为250Ω,则对于20mA的电流输出,模块总功耗为748mW。当使用PPC将AVDD电压降至8.6V(负载电压+裕量)时,模块功耗约为348mW。这表明模块内节省了400mW的功耗。rwqednc

功耗计算示例

示例1和示例2选择了电流输出用例,驱动20mA输出。负载为250Ω,使能ADC,以每秒20个样本转换默认测量配置。rwqednc

示例1(无PPC):

AD74115H输出功率 = (AVDD = 24V) × 20mA = 480mWrwqednc

AD74115H输入功率 = AD74115HQUIESCENT (206mW) + ADC功耗(30mW) + 480mW = 716mWrwqednc

模块输入功率 = 716mW + ADP1034功耗(132mW) = 848mWrwqednc

负载功耗 = 20mA2 × 250Ω = 100mWrwqednc

模块总功耗 =(模块输入功率 - 负载功耗)= 748mWrwqednc

在示例2中可以看到,当使能PPC功能以将AVDD降低到所需电压(20mA × 250Ω) + 3.6V裕量 = 8.6V时,模块的功耗降至348mW。rwqednc

示例2(使能PPC):

AD74115H输出功率 = (AVDD = 8.6V) × 20mA = 172mWrwqednc

AD74115H输入功率 = AD74115HQUIESCENT (136mW) + ADC功耗(30mW) + 172mW = 338mWrwqednc

模块输入功率 = 338mW + ADP1034功耗(100mW) = 448mWrwqednc

负载功耗 = 20mA2 × 250Ω = 100mWrwqednc

模块总功耗 =(模块输入功率 - 负载功耗)= 348mWrwqednc

图2显示了AD74115H应用板上在25°C时的实测功耗。测量结果表明,功耗略低于计算的功耗。此结果会因器件而略有不同。rwqednc

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2.测量数据:驱动20mA250Ω负载,AVDD = 24VAVDD = 8.6V(使用PPCrwqednc

图3显示了使用PPC的模块(ADP1034和AD74115)功耗(针对每个负载电阻值设置优化的AVDD)与不同负载电阻值的关系。两个不同的电压被施加于ADP1034的VINP(15V和24V),以显示ADP1034的效率。测量是在25°C下进行。rwqednc

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3.20mA输出时功耗与RLOAD的关系rwqednc

图4显示了不同温度下使用PPC的功耗(针对每个负载电阻值设置优化的AVDD)与不同负载电阻值的关系。rwqednc

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4.功耗与温度的关系rwqednc

表1.使用PPC的AD74115H典型用例功耗rwqednc

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数字输出用例

在工业应用中,数字输出被认为是最耗电的使用场景。AD74115H支持内部和外部拉电流与灌电流数字输出。ADP1034可为内部数字输出功能提供足够的功率,支持最高100mA的连续拉电流或灌电流。在这种情况下,数字输出电路电源DO_VDD直接连接到AVDD。对于100mA以上的电流,必须使用外部数字输出功能,这需要将额外的电源连接到DO_VDDrwqednc

内部数字输出用例超时

为了支持在初始上电时对容性负载充电,可以在使用内部数字输出用例的同时,使能更高的短路限流值(~280mA),使能的时间T1可编程。经过T1时间后,部署第二短路限流值(~140mA)。这是一个较低的限流值,在可编程的持续时间T2内有效。在这些短路情况下,系统需要更多电流,因此必须注意确保ADP1034 VOUT1电压不会骤降。为确保无骤降,如果需要24V DO_VDD,建议将24V电压作为ADP1034的系统电源电压。这是24V继电器的典型电压需求。对于12V继电器,建议使用至少18V的系统电源电压(ADP1034 VINP),以确保可以为负载提供足够的电流。rwqednc

图5和图6显示了DO_VDD与T1和T2短路限值的关系,证明了使用ADP1034提供大电流的稳定性。rwqednc

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5.系统电源 = 24VDO_VDD电压 = 24Vrwqednc

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6.系统电源 = 24VDO_VDD电压 = 12Vrwqednc

数据隔离和解决方案尺寸

ADP1034采用ADI的iCoupler®专利技术,在7mm × 9mm封装中集成了三个隔离电源轨,包括SPI数据和三个GPIO隔离通道。这种高集成度将所有通道隔离要求整合到PCB上的一个小区域中,有助于解决PCB面积挑战,而且实现了省电。当通道不使用时,ADP1034的控制器端将其他SPI隔离器通道置于低功耗状态。这意味着通道仅在需要时才处于活动状态。三个隔离GPIO通道用于隔离AD74115H的、和引脚,从而满足AD74115H的所有隔离要求,而无需增加额外的隔离器IC成本。rwqednc

结语

设计一种低功耗、小尺寸的通道间隔离I/O解决方案,哪怕是对于业内一些经验十分丰富的设计人员而言,也可能是一项挑战。ADP1034和AD74115H系统级解决方案通过高集成度和系统级设计方法有效化解了此挑战。由单个IC从单个系统电源提供三个隔离电源轨,并提供集成数据隔离,这使得BOM成本大幅降低。再加上AD74115H的灵活性,该系统设计将能满足大多数I/O工业应用的要求。rwqednc

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关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司,致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁,以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案,推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展,应对气候变化挑战,并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元,全球员工2.4万余人。携手全球12.5万家客户,ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息,请访问www.analog.com/cnrwqednc

关于作者

Valerie Hamilton目前在ADI爱尔兰公司担任产品应用工程师。她于2014年7月毕业于高威梅雅理工学院,获工程学学士学位,随即加入ADI公司。Valerie主要关注工业I/O产品,包括软件可配置I/O和数模转换器。rwqednc

责编:Franklin
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