作者：ADI應(yīng)用工程師Valerie Hamilton
【資料圖】
為過程控制、工廠自動(dòng)化、樓宇控制系統(tǒng)等工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)系統(tǒng)級隔離式I/O解決方案時(shí)，有許多方面需要考慮，其中包括功耗、數(shù)據(jù)隔離和外形尺寸。圖1顯示了系統(tǒng)解決方案，其在隔離式單通道軟件可配置I/O解決方案中使用AD74115H和ADP1034，解決了電源、隔離和面積挑戰(zhàn)。通過將ADP1034的電源和數(shù)據(jù)隔離功能與AD74115H的軟件可配置能力相結(jié)合，可以僅使用兩個(gè)IC和非常少的外部電路來設(shè)計(jì)一個(gè)隔離式單通道I/O系統(tǒng)。
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圖1.ADP1034和AD74115H電路圖
系統(tǒng)級解決方案
ADP1034是一款高性能隔離式電源管理單元，包含一個(gè)隔離反激式穩(wěn)壓器、一個(gè)反相降壓升壓調(diào)節(jié)器和一個(gè)降壓調(diào)節(jié)器，提供三個(gè)隔離式電源軌并集成了七個(gè)低功耗數(shù)字隔離器。ADP1034還具有可編程功率控制(PPC)功能，可通過單線接口按需調(diào)整VOUT1上的電壓。VOUT1為AD74115H AVDD電源軌提供6V至28V的電壓。VOUT2為AD74115H電源軌AVCC和DVCC提供5V電壓。如需要，它還能為外部基準(zhǔn)電壓源提供電源電壓。VOUT3為AD74115H AVSS電源軌提供-5V至-24V的電壓。
功耗和優(yōu)化
設(shè)計(jì)通道間隔離模塊時(shí)，主要的權(quán)衡通常是在功耗和通道密度之間。隨著模塊尺寸縮小，通道密度增加，每個(gè)通道的功耗必須降低，以滿足模塊的最大功耗預(yù)算要求。在這種情況下，模塊是指ADP1034和AD74115H，當(dāng)它們共同使用時(shí)，可提供隔離電源、數(shù)據(jù)隔離和軟件可配置I/O功能。
AD74115H和ADP1034之所以成為出色的低功耗解決方案，原因在于集成PPC功能的引入。PPC使用戶能夠按照需求調(diào)整VOUT1電壓（AD74115H AVDD電源電壓）。這種方法可以大大降低模塊在低負(fù)載條件下的功耗，特別是在電流輸出模式下。
使用PPC功能時(shí)，系統(tǒng)中的主機(jī)控制器通過SPI向AD74115H發(fā)送所需的電壓代碼，該代碼隨后通過單線串行接口(OWSI)傳遞至ADP1034。OWSI實(shí)現(xiàn)了CRC校驗(yàn)功能，非常穩(wěn)健，可抵抗惡劣工業(yè)環(huán)境中可能存在的EMC干擾。
查看功耗計(jì)算示例可知，如果AVDD = 24V且負(fù)載為250Ω，則對于20mA的電流輸出，模塊總功耗為748mW。當(dāng)使用PPC將AVDD電壓降至8.6V（負(fù)載電壓+裕量）時(shí)，模塊功耗約為348mW。這表明模塊內(nèi)節(jié)省了400mW的功耗。
功耗計(jì)算示例
示例1和示例2選擇了電流輸出用例，驅(qū)動(dòng)20mA輸出。負(fù)載為250Ω，使能ADC，以每秒20個(gè)樣本轉(zhuǎn)換默認(rèn)測量配置。
示例1（無PPC）：
AD74115H輸出功率 = (AVDD = 24V) × 20mA = 480mW
AD74115H輸入功率 = AD74115HQUIESCENT (206mW) + ADC功耗(30mW) + 480mW = 716mW
模塊輸入功率 = 716mW + ADP1034功耗(132mW) = 848mW
負(fù)載功耗 = 20mA2 × 250? = 100mW
模塊總功耗 =（模塊輸入功率 - 負(fù)載功耗）= 748mW
在示例2中可以看到，當(dāng)使能PPC功能以將AVDD降低到所需電壓(20mA × 250Ω) + 3.6V裕量 = 8.6V時(shí)，模塊的功耗降至348mW。
示例2（使能PPC）：
AD74115H輸出功率 = (AVDD = 8.6V) × 20mA = 172mW
AD74115H輸入功率 = AD74115HQUIESCENT (136mW) + ADC功耗(30mW) + 172mW = 338mW
模塊輸入功率 = 338mW + ADP1034功耗(100mW) = 448mW
負(fù)載功耗 = 20mA2 × 250? = 100mW
模塊總功耗 =（模塊輸入功率 - 負(fù)載功耗）= 348mW
圖2顯示了AD74115H應(yīng)用板上在25°C時(shí)的實(shí)測功耗。測量結(jié)果表明，功耗略低于計(jì)算的功耗。此結(jié)果會(huì)因器件而略有不同。
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圖2.測量數(shù)據(jù)：驅(qū)動(dòng)20mA到250Ω負(fù)載，AVDD = 24V，AVDD = 8.6V（使用PPC）
圖3顯示了使用PPC的模塊（ADP1034和AD74115）功耗（針對每個(gè)負(fù)載電阻值設(shè)置優(yōu)化的AVDD）與不同負(fù)載電阻值的關(guān)系。兩個(gè)不同的電壓被施加于ADP1034的VINP（15V和24V），以顯示ADP1034的效率。測量是在25°C下進(jìn)行。
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圖3.20mA輸出時(shí)功耗與RLOAD的關(guān)系
圖4顯示了不同溫度下使用PPC的功耗（針對每個(gè)負(fù)載電阻值設(shè)置優(yōu)化的AVDD）與不同負(fù)載電阻值的關(guān)系。
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圖4.功耗與溫度的關(guān)系
表1.使用PPC的AD74115H典型用例功耗
