圖4.動態(tài)電源控制原理

 

AD5755系列4通道、16位、串行輸入、電壓和電流輸出DAC能夠提供這種閉環(huán)動態(tài)電源能力（見附錄—圖A）。它的每個通道都能以16位分辨率提供電流或電壓，輸出端由動態(tài)電源控制下的DC/DC轉換器供電，因此該器件相當于在一個非常緊湊的9mm × 9mm × 0.8mm封裝中提供4個低功耗節(jié)點。

 

圖5的簡化電路顯示了使用感性升壓電路的動態(tài)電源控制工作原理。每個通道都能提供30 V以上的升壓輸出電壓。動態(tài)電源控制機制利用反饋調節(jié)輸出電壓，然后經過電阻分壓器分壓后與內部誤差放大器中的基準電壓進行比較，產生一個誤差電流。開關周期開始時，MOSFET開關接通，電感電流緩升，然后測量轉換為電壓的MOSFET電流。當電流檢測電壓大于誤差電壓時，MOSFET斷開，電感電流緩降，直到內部時鐘啟動下一個開關周期。在電流模式下調節(jié)輸出電源電壓采用類似方案，此時使用的是反饋誤差電流。

 

圖5.具有電源控制功能的升壓電路

 

用戶可以切換各通道的DC/DC轉換器開關信號的頻率和相位，以實現(xiàn)電路和器件的優(yōu)化。

 

 

對輸出驅動器實行動態(tài)電源控制的目的是使封裝功耗最小。典型IC的內部結溫(TJMAX)最高可達125°C。假設系統(tǒng)的環(huán)境溫度TA為85°C。LFCSP封裝的熱阻θJA典型值為28°C/W。容許的片內功耗可以通過下式計算

 

 

不采用動態(tài)電源控制時，假設使用24V電源，則每個通道的最差情況功耗可以通過下式計算：

 

功耗 = 電源電壓 × 最大電流

                              = 24 V × 20 mA

                              = 0.48 W

 

在同樣的條件下，4個通道的功耗將接近2 W，這會給模塊和半導體電路帶來問題。啟用動態(tài)電源特性時，AD5755調節(jié)電源，使片內功耗降至最低。圖6顯示了啟用和禁用動態(tài)電源（固定電源）兩種情況下每個通道的功耗對比。

 

圖6. 啟用和禁用動態(tài)電源控制兩種情況下的功耗對比

 

啟用動態(tài)電源功能時，在24 mA輸出電流下片內功耗約為50 mW，而無調節(jié)時的片內功耗則為400 mW。這種控制片內功耗的能力非常有用，系統(tǒng)設計人員在提高系統(tǒng)通道數(shù)的同時可以使模塊功耗降至最低，從而不需要考慮繁瑣而昂貴的方法來控制系統(tǒng)溫度。

 

故障狀況下的系統(tǒng)差錯校驗與診斷

 

對于工業(yè)應用，必須能夠監(jiān)控并報告系統(tǒng)級故障，在故障狀況下?lián)碛斜M可能多的系統(tǒng)控制權至關重要。AD5755包括許多片內診斷特性，能夠為用戶提供系統(tǒng)級差錯校驗功能。

 

發(fā)生故障時，一個重要考慮是控制DAC的MCU/DSP會如何。由于不能控制輸出，用戶將完全失去對系統(tǒng)的控制。AD5755有一個看門狗定時器（超時可編程設定），如果它在超時期限內沒有收到SPI接口傳來的命令，就會設置警告標志（高電平有效）。需要時，此ALERT引腳可以直接連到清零引腳（也是高電平有效），以便將輸出設置為已知的安全狀態(tài)（圖7）。AD5755的每個通道都有一個16位可編程清零碼寄存器，用戶可以靈活地將輸出清零為任意碼。

 

圖7.看門狗定時器設置控制信號丟失標志并使DAC返回到清零設置

 

在高噪聲工業(yè)環(huán)境中，即使MCU正常工作，通信信號也可能遭到破壞。為了應對這種可能性，AD5755具有可選的分組差錯校驗(PEC)功能，它實施一種CRC8多項式例程。該功能可以通過軟件使能或禁用，確保輸出不會錯誤地更新。

 

輸出端接線錯誤常會導致連接開路或短路，有可能會造成系統(tǒng)損壞。（即使沒有發(fā)生損壞，問題也往往難以診斷。AD5755具有開路和短路檢測功能，可以即時設置故障標志，提醒技術人員處理相關問題。）此外，當發(fā)生短路時，短路保護功能可以限制輸出電流。所有故障都可以通過SPI接口或硬件故障引腳傳達，以便用戶即時采取處理措施。

 

靈活的輸出范圍編程功能

 

為了處理所需的各種電壓和電流，AD5755的各通道都可提供許多可編程范圍，包括：4 mA至20 mA、0 mA至24 mA、0 mA至20 mA、0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V、±10 V和±12 V。用戶也可以對各通道的各種范圍的增益和失調進行數(shù)字化編程。這些增益和失調寄存器具有16位分辨率。例如，為了設置0V至10.5V輸出范圍（如圖8所示），首先選擇0V至12V范圍，然后編程設置增益碼，將范圍調整到10.5 V。完成增益調整后，輸出范圍即為0V至10.5V，并具有16位分辨率。失調的編程設置方式與此相似。

 

圖8.任意范圍縮放

 

通過4mA至20mA電流環(huán)路傳輸附加信息

 

純4mA至20mA電流環(huán)路的缺點是只能單向傳輸單個過程變量，這對于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)是個限制?？蓪ぶ愤h程傳感器高速通道(HART)標準的發(fā)展為4mA至20mA通信線路開啟了新的可能。

 

HART提供數(shù)字雙向通信機制，兼容4mA至20mA電流環(huán)路。在4mA至20mA模擬電流信號之上疊加一個1mA峰峰值頻移鍵控(FSK)信號?；贐ELL 202通信標準，所用的兩個頻率為1200 Hz（邏輯1）和2200 Hz（邏輯0），如圖9所示。

 

圖9. 疊加于不斷增大的環(huán)路電流之上的HART信號

 

AD5755可以配置為僅利用兩個外部器件來傳輸HART信號。HART調制解調器的輸出經過衰減后，交流耦合至AD5755的CHART引腳；這導致調制解調器輸出在4mA至20mA模擬電流上進行調制，而不會影響該電流的"直流"電平。圖10中的電路顯示AD5755如何與HART調制解調器接口以實現(xiàn)這種雙向通信形式。

 

圖10. AD5755用于HART通信

 

HART規(guī)范要求模擬電流的最大變化速率不得干擾HART通信。很顯然，電流輸出的步進變化可能會中斷HART信號傳輸。幸運的是，AD5755提供可控制的壓擺率，啟用該功能后，用戶可以通過數(shù)字方式限制電流輸出的壓擺率。

 

AD5755完整解決方案

 

圖11顯示采用AD5755的典型設置。（圖中顯示了一個HART調制解調器通道，但有四路HART輸入可用，每個通道一路輸入。）當使能動態(tài)電源控制特性時，每個通道需要四個外部器件：一個飽和電流約為1A的電感、一個開關二極管和兩個具有低等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容。利用極少的外部器件，AD5755提供一款集成的單芯片、高性能系統(tǒng)解決方案?？偡钦{整誤差(TUE)典型值為0.01%，其中包括25°C時的所有增益和失調誤差。

 

圖 11. AD5755設置

 

結論

 

隨著所需通道數(shù)和各模塊通道密度同步提高，系統(tǒng)設計人員面臨著許多問題：如何在提高通道數(shù)量的同時保持較小的模塊尺寸？如何提高通道數(shù)量并設計高能效系統(tǒng)，同時使系統(tǒng)的自熱效應和漂移誤差保持最?。烤洼敵鼍幊绦阅芏?，如何為客戶提供最大的靈活性？提供哪些安全特性和診斷功能，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠并能夠輕松找出問題所在？

 

AD5755是一款采用9mm × 9mm CSP封裝的4通道器件，能夠大幅減小系統(tǒng)的電路板面積并提高通道密度。其動態(tài)電源控制特性能夠調節(jié)片內功耗，使模塊功耗降至最低。此外還有片內診斷功能，包括看門狗定時器、PEC差錯校驗及開路/短路檢測和保護，穩(wěn)定可靠的設計使它能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中工作，讓最終用戶更有信心。AD5755是一款真正的片上系統(tǒng)解決方案。

 

附錄

 

有關四通道DAC AD5755的更多信息

 

四通道電壓和電流輸出DAC AD57558采用–26V至+33V電源供電。在電流模式下，片內動態(tài)電源控制功能可以在7V至30V范圍內調節(jié)輸出驅動器的電壓，使封裝功耗最小。

 

AD5755采用多功能三線式串行接口，能夠以最高30MHz的時鐘速率工作，并與標準SPI,®、QSPI™、MICROWIRE™、DSP和微控制器接口標準兼容。該接口還提供可選的CRC-8分組差錯校驗功能，以及用于監(jiān)控接口活動的看門狗定時器。

 

AD5755具有16位分辨率和單調性，同一引腳提供電壓或電流輸出，并具有用戶可編程的失調和增益、片內診斷功能和片內5 ppm/°C（最大值）基準電壓源，工作溫度范圍–40°C至+105°C?？捎秒娏鬏敵龇秶鸀?mA至20mA、4mA至20mA和0mA至24mA±0.05%，可用電壓范圍為0V至5V、0V至10V、±5V、±10V、±6V和±12V±0.05%。

 

圖A. 四通道DAC AD5755功能框圖，所有四個通道完全相同

 

 

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