高度集成的系统级方法可简化隔离式软件可配置I/O通道的设计

本文介绍一款软件可配置输入/输出（I/O）器件及其专用隔离电源和数据解决方案，有助于解决系统级工业应用设计中的设计挑战。本文介绍了设计单个IC时系统级思维的优势，并重点介绍所提出的解决方案的功耗优化功能。

介绍

在为工业应用（如过程控制、工厂自动化或楼宇控制系统）设计系统级隔离式I/O解决方案时，需要考虑许多方面。其中包括功耗、数据隔离和外形尺寸。图1所示为在隔离式单通道软件可配置I/O解决方案中使用AD74115H和ADP1034解决功耗、隔离和面积挑战的系统解决方案。通过将ADP1034的电源和数据隔离与AD74115H的软件可配置性相结合，只需使用两个IC和最少的外部电路即可设计隔离式单通道I/O系统。

系统级解决方案

ADP1034是一款高性能隔离式电源管理单元，集成了隔离式反激式稳压器、反相降压升压稳压器和降压稳压器，提供三个隔离电源轨，并集成七个低功耗数字隔离器。ADP1034还具有可编程功率控制（PPC）功能，用于调节V上的电压输出1通过单线接口按需提供。V输出1为AD74115H AV提供6 V至28 V电压DD电源轨。V输出2为AD74115H电源轨AV提供5 V抄送和DV抄送.如果需要，它还可以为外部基准提供电源电压。V出3为AD74115H AV提供–5 V至–24 V电压党卫军电源轨。

功耗和优化

在设计通道间隔离模块时，主要权衡因素通常是功耗和通道密度。随着模块尺寸的缩小和通道密度的增加，每个通道的功耗必须降低，以适应模块的最大功耗预算。在这种情况下，该模块定义为ADP1034和AD74115H，它们组合在一起可提供隔离电源、数据隔离和软件可配置I/O功能。

AD74115H和ADP1034之所以成为最佳的低功耗解决方案，是因为它引入了集成PPC功能。PPC使用户能够调整V输出1电压 （AD74115H AVDD电源电压）按需提供。这种方法可最大限度地降低低负载条件下模块的功耗，特别是在电流输出模式下。

使用PPC功能时，系统中的主控制器通过SPI将所需的电压代码发送到AD74115H，然后通过单线串行接口（OWSI）传递给ADP1034。OWSI已实施CRC，以提供针对恶劣工业环境中可能存在的EMC干扰的鲁棒性。

如果我们看一下示例功耗计算，我们可以看到，如果AVDD= 24 V，负载为250 Ω，对于20 mA的电流输出，模块中总共将耗散748 mW。当我们使用PPC丢弃AV时DD电压为 8.6 V（负载电压 + 裕量），模块中耗散的功率为 ~348 mW。这表明模块内节能400 mW。

功耗计算示例

在示例1和示例2中，选择电流输出用例并驱动20 mA输出。负载为 250 Ω，ADC 使能，并以每秒 20 个样本的速度转换默认测量配置。

图1.ADP1034和AD74115H电路图

示例 1（无 PPC）：

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

AD74115H 输入功率 = AD74115H静态（206 mW） + ADC 功率 （30 mW） + 480 mW = 716 mW

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

负载功率 = 20 mA2× 250 Ω = 100 mW

总模块功率 =（模块输入功率 – 负载功率）= 748 mW

在示例 2 中，我们可以看到，当启用 PPC 功能以减少 AVDD到所需电压 （20 mA × 250 Ω） + 3.6 V裕量= 8.6 V，则模块中的功耗降至348 mW。

示例 2（启用 PPC）：

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

AD74115H 输入功率 = AD74115H静态（136 mW） + ADC 功率 （30 mW） + 172 mW = 338 mW

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

负载功率 = 20 mA2× 250 Ω = 100 mW

总模块功率 =（模块输入功率 – 负载功率）= 348 mW

图2显示了AD74115H应用板在25°C下测得的功耗。 测量显示功耗略低于计算的功耗。这将因设备而异。

图2.测量数据 20 mA 至 250 Ω负载，AVDD= 24 V，AVDD= 8.6 V（使用PPC）。

图3显示了使用PPC（优化AVDD针对每个负载电阻值进行编程）与不同的负载电阻值。对V施加两种不同的电压INP来显示ADP1034（15 V和24 V）的效率。测量在25°C下进行。

图3.功耗与R的比较负荷在 20 mA 输出时。

图4显示了使用PPC（优化的AVDD针对每个负载电阻值进行编程）与温度范围内的不同负载电阻值。

图4.功耗与温度的关系

表 1.AD74115H 采用PPC的典型功耗用例

 

VINP（五）	影音DD 电压 （V）	用例	负荷	功率（毫瓦）
24	8.6	电流输出	250 Ω	322
24	18	电压输入	不适用	250
24	18	外部供电的电流输入	24毫安	启用哈特	哈特禁用
				422	334
24	18	由HART供电的电流输入环路®	24毫安	456
24	16.5	电压输出双极性 12 V 范围	1 千微电阻	ZS 代码	FS 代码
				345	333
24	18	2 线式热电阻	250 Ω	260
24	18	3 线式热电阻	250 Ω	295
24	18	4 线式热电阻	250 Ω	268
24	18	数字输入逻辑	2.4 mA 灌电流	297
24	18	数字输入环路供电	250 Ω	667
24	12	内部数字输出	12 V 继电器 ~278 Ω 线圈电阻	采购	下沉
				265	285

 

数字输出用例

在工业应用中，数字输出被认为是对功耗要求最高的用例。AD74115H支持内部和外部拉电流和灌电流数字输出。ADP1034可以为内部数字输出功能提供足够的电源，能够源出或吸收高达100 mA的连续电流。在这种情况下，数字输出电路DO_VDD直接连接到 AVDD.对于高于100 mA的电流，必须使用外部数字输出功能，这需要额外的电源连接到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时，在可编程时间T1内启用更高的短路电流限值（~280 mA）。T1时间过后，将部署第二个短路限值（~140 mA）。这是一个较低的电流限值，在可编程的持续时间T2内处于活动状态。由于在这些短路条件下需要更多电流，因此必须注意确保ADP1034 V输出1电压不会下降。为确保没有骤降，建议使用24 V电压作为ADP1034的系统电源电压，以满足所需的DO_VDD的 24 V。这是 24 V 继电器的典型所需电压。对于12 V继电器，最小系统电源电压（ADP1034 VINP） 的建议为 18 V，以确保为负载提供足够的电流。

图 5 和图 6 显示了DO_VDD与T1和T2短路限值相比，证明了ADP1034提供高电流的稳定性。

图5.系统电源 = 24 V，DO_VDD电压 = 24 V。

图6.系统电源 = 24 V，DO_VDD电压 = 12 V。

数据隔离和解决方案大小

ADP1034采用ADI公司的专利i耦合器技术，在7 mm×9 mm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。这种高集成度有助于解决PCB空间挑战，因为它将所有通道隔离要求整合到PCB上的一个小区域内。还实现了节能。当其他SPI隔离器通道不使用时，ADP1034上的控制器侧将其他SPI隔离器通道置于低功耗状态。这意味着通道仅在需要时处于活动状态。三个隔离式GPIO通道用于隔离AD74115H的复位、警报和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。®

结论

对于业内一些最有经验的设计人员来说，设计低功耗、小尺寸通道间隔离I/O解决方案可能是一个挑战。ADP1034和AD74115H系统级解决方案采用高集成度和系统级设计方法，简化了挑战。单个IC通过单个系统电源提供三个隔离电源轨，并集成数据隔离，因此BOM成本显著降低。结合AD74115H的灵活性，系统设计可满足大多数I/O工业应用。

审核编辑：郭婷