當今典型的可編程邏輯控制器（PLC）包含大量模擬和數字輸入和輸出，用于監視和控制 工業和生產過程。模塊化很普遍，在輸入和輸出（I/O）方面，涵蓋了模擬I/O和數字I/O的基本功能。模擬輸出帶來了特殊的挑戰，因為如圖1所示，必須在許多不同的負載條件下以高精度主動驅動設定值。主動驅動器階段在這里很重要;損失應盡可能小。

圖1.隔離式模擬輸出系統框圖。

需要考慮的因素如下：

連接的負載

最大允許的環境溫度和內部模塊溫度

通道數和模塊大小

電氣隔離接口

準確性

在過程自動化中，通常需要在各個輸出通道之間設置電流屏障。除此之外，還有 其他條件，例如基于通道的診斷或對HART信號的支持。健壯性和容錯也是先決條件。?

由于半導體的發展和不斷改進的混合信號工藝，具有高集成密度的非常小的電路成為可能。模擬輸出通道的功能可以完全集成在單個IC中。因此，在5 mm×5 mm的占位面積內，AD5758集DAC和驅動器的基本功能以及許多其他模擬器件于一身。 和邏輯功能，如用于診斷的ADC、智能電源管理、基準電壓源、反向和過壓故障開關， 用于校準數據的寄存器和SPI通信接口。

AD5758（圖2）涵蓋自動化領域使用的所有常見輸出范圍：單極性0 V至10 V/0 mA至20 mA、雙極性±10 V/±20 mA，以及過程自動化中使用的4 mA至20 mA等所有子范圍。每個設置提供 20% 的超量程。這些值以 16 位分辨率輸出。

圖2.AD5758的框圖

能效優化

是什么讓AD5758特別適合溫度和空間關鍵型應用？熱量形式的損失主要發生在功率中 DC-DC轉換器和輸出驅動器級的部分。這就是智能電源管理發揮作用的地方。AD5758的特性 自適應負載調節或動態功率控制 （DPC）。DPC在電流輸出模式下處于活動狀態，并控制驅動器級所需的電壓 將特定電流驅動到負載中。根據工作條件，電流輸出的負載電壓（I × R負荷） 可能僅占電源電壓的一小部分。相對于電源電壓的差異必須在串聯晶體管中以功率損耗的形式消散，從而產生熱量。DPC 現在將驅動器電壓調節到比實際所需負載電壓（輸出晶體管的裕量）高幾伏，并且 從而提供最小的散熱。只有通過降壓開關穩壓器才能以這種方式高效調節電壓，該穩壓器已集成在AD5758中，并根據負載自動控制。即使開關穩壓器和上游電源中出現額外的損耗，整體熱降低也非常有效，特別是對于小負載電阻;見表1。它首先使更小、更高密度的設計成為可能，并且電路板保持涼爽。

降額設置嚴格限值

降額定義為在定義的邊界條件下性能降低，類似于功率中的安全工作區 （SOA） 考慮 半導體。由于前面提到的功率損耗和相關冷卻問題，對這些輸出施加了嚴格的熱限制 不帶 DPC 的模塊。如今，信用卡大小的模塊上的兩個或四個通道很常見。這些模塊通常針對環境溫度進行指定 最高 60°C。 然而，在這些環境條件下，并非所有四個通道都可以驅動非常小的負載，因為如果沒有DPC，這四個通道將在模塊中產生約3 W的功率損耗，并且產生的熱量會迅速將內部模塊溫度提高到超出組件的最大規格。通過熱降額（圖 3），模塊制造商在高環境溫度下只能使用四個可用通道中的一個或兩個，從而大大降低了可用性和通道成本。

圖3.典型的降額圖表。

得益于其高效的DPC，AD5758的功率損耗僅略微取決于負載電阻和總通道耗散 對于 0 kΩ 至 1 kΩ 的負載，始終保持在 <250 mW（表 2）。因此，根據輸出模塊的設計，可能 在最壞情況下，隔離通道將在<2 W下實現。5 mm × 5 mm LFCSP，其從結點到環境溫度的熱阻 Θ賈的 46 K/W 在 200 mW 的功率損耗下將環境溫度提高不到 10°C。AD5758的額定工作環境溫度高達。 115°C. 這為多通道模塊提供了很大的裕量，而無需降額。

功耗數字適用于整個通道，還包括使用ADP1031的電源和數據隔離引起的功耗。

優化的電源

電源電壓有不同的要求：

邏輯電壓：除（工作模式相關單極性或雙極性）驅動器電源外，AD5758輸出IC的內部模塊需要3.3 V邏輯電壓。這可以通過片上LDO穩壓器產生;但是，為了獲得最佳效率和更低的功率損耗，建議使用開關穩壓器。

隔離式驅動器電源：出于安全原因，PLC 總線始終與 I/O 模塊電氣隔離。圖 1 顯示了這種隔離 邏輯（總線）側、電壓電源和現場側輸出三種不同電位的顏色編碼。

由于這三個部分在電路板上通常也在空間上分開 - 輸出朝向前連接器端子， 顧名思義，背板總線位于背面，但隔離、電源和輸出驅動器集成在單個芯片上不會 有意義。

電源管理單元ADP1031（圖4）執行所有功能，并與AD5758配合開發隔離式輸出模塊 空間要求和功耗最小（圖 5）。

圖4.電源管理單元ADP1031。

圖5.完整的4通道模擬輸出，采用ADP1031和AD5758。

ADP1031集成了四個模塊，采用9 mm×7 mm封裝：

反激式轉換器，用于產生隔離式正電源電壓VPOS。

用于雙極性輸出 VNEG 的負電源的逆變器。

降壓轉換器，用于為AD5758邏輯電路提供VLOG電源。

帶有附加 GPIO 通道的隔離式 SPI 數據接口。

反激式轉換器的優點是效率高;只需要一個小型的1：1變壓器。反激式轉換器產生隔離 第一級驅動器電壓高達28 V。逆變器和降壓轉換器由此衍生，具有相同的接地電位。

在電源管理單元的設計過程中，特別強調電磁兼容性（EMC）和魯棒性。例如 輸出電壓是相移的，反激式控制器的壓擺率是可調的。軟啟動、過壓保護和電流 還增加了所有三個電壓的限制，以便更好地測量。

隔離式SPI接口基于ADI成熟的i耦合器技術，可傳輸工作所需的所有控制信號。因此，區分了用于SPI數據的高速路徑（四通道）和用于控制GPIO的較慢路徑（三通道多路復用）。可能的應用包括通過公共控制信號同步激活多通道模塊或跨多個模塊的輸出、回讀錯誤標志或觸發安全關斷。?

系統優勢

AD5758和ADP1031的組合僅在兩個器件上提供隔離模擬輸出的完整功能。包括隔離在內，通道空間要求約為 13 mm × 25 mm，其通道空間要求極低，是當今解決方案尺寸的一半。

除了節省空間外，關鍵功能的集成和固有的堅固性提供了更簡單的布局、輕松分離電位和 顯著降低硬件成本。ADI 的 8 通道演示設計僅使用一塊六層電路板，尺寸為 77 mm × 86 mm（圖 6）。

圖6.隔離式 8 通道 AO 模塊。

優勢總結：

通過優化的功率控制實現具有更高通道密度的更小模塊

在所有負載條件下均無降額，具有擴展的環境溫度范圍

由于更高的集成度和穩健性，降低了 BOM 和裝配成本

多通道模塊易于擴展 — 多達 8 個通道，最大功耗小于 2 W

具有擴展診斷功能的堅固設計

審核編輯：郭婷