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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
前言：
作者：ADI应用工程师Valerie Hamilton
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AD74115H和ADP1034，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。
图1.ADP1034和AD74115H电路图
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。
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。
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。
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。
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。
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。
示例1（无PPC）：
AD74115H输出功率 = (AVDD = 24V) × 20mA = 480mW
AD74115H输入功率 = AD74115HQUIESCENT (206mW) + ADC功耗(30mW) + 480mW = 716mW
模块输入功率 = 716mW + ADP1034功耗(132mW) = 848mW
负载功耗 = 20mA2 × 250Ω = 100mW
模块总功耗 =（模块输入功率 - 负载功耗）= 748mW
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。
示例2（使能PPC）：
AD74115H输出功率 = (AVDD = 8.6V) × 20mA = 172mW
AD74115H输入功率 = AD74115HQUIESCENT (136mW) + ADC功耗(30mW) + 172mW = 338mW
模块输入功率 = 338mW + ADP1034功耗(100mW) = 448mW
负载功耗 = 20mA2 × 250Ω = 100mW
模块总功耗 =（模块输入功率 - 负载功耗）= 348mW
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。
图2.测量数据：驱动20mA到250Ω负载，AVDD = 24V，AVDD = 8.6V（使用PPC）
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。
图3.20mA输出时功耗与RLOAD的关系
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。
图4.功耗与温度的关系
表1.使用PPC的AD74115H典型用例功耗
|
VINP (V) |
AVDD 电压 (V) |
用例 |
负载 |
功耗(mW) |
|
|
24 |
8.6 |
电流输出 |
250Ω |
322 |
|
|
24 |
18 |
电压输入 |
N/A |
250 |
|
|
24 |
18 |
电流输入外部供电 |
24mA |
HART使能 |
HART禁用 |
|
422 |
334 |
||||
|
24 |
18 |
电流输入环路通过HART®供电 |
24mA |
456 |
|
|
24 |
16.5 |
电压输出双极性12V范围 |
1kΩ |
ZS码 |
FS码 |
|
345 |
333 |
||||
|
24 |
18 |
2线RTD |
250Ω |
260 |
|
|
24 |
18 |
3线RTD |
250Ω |
295 |
|
|
24 |
18 |
4线RTD |
250Ω |
268 |
|
|
24 |
18 |
数字输入逻辑 |
2.4mA灌电流 |
297 |
|
|
24 |
18 |
数字输入环路供电 |
250Ω |
667 |
|
|
24 |
12 |
数字输出内部 |
12V继电器~278Ω线圈电阻 |
拉电流 |
灌电流 |
|
265 |
295 |
||||
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_VDD。
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。
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。
图5.系统电源 = 24V，DO_VDD电压 = 24V
图6.系统电源 = 24V，DO_VDD电压 = 12V
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¯("RESET" )、¯("ALERT" )和¯("ADC_RDY" )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。
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。
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/cn。
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。
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