當今典型的可編程邏輯控制器(PLC)包含許多類比和數位輸出，以用來控制和監視工業及生產過程。模組化被廣泛採用，並且在輸入和輸出(I/O)方面涵蓋了類比I/O和數位I/O的基本功能。類比輸出提出了一個特殊的挑戰（如圖1所示），因為其需要在眾多不同負載條件下提供高精度的主動驅動設定值。主動驅動器級此時變得尤為重要；而損耗則應儘量減少。
需要考慮的因素如下：
u 連接的負載
u 允許的最高環境溫度和內部模組溫度
u 通道數和模組尺寸
u 電氣隔離介面
u 精度
在製程自動化中，通常還需要在各個輸出通道之間建立電氣隔離。除此之外，還有一些其他要求，例如基於通道的診斷或對HART®訊號的支援。此外，強固性和容錯性也是必備的條件。
圖1.隔離式類比輸出系統框圖。
由於半導體的發展和混合訊號製程的不斷改良，使高整合密度的超小型電路成為可能。類比輸出通道的功能能夠被完整地整和到IC中。因此，AD5758在5 mm × 5 mm封裝尺寸內整合了DAC和驅動器的基本功能，以及眾多其他類比和邏輯功能，例如用於診斷的ADC、智慧電源管理、基準電壓源、可防止反向和過壓的故障開關、資料校準暫存器以及SPI通訊介面。
AD5758（圖2）涵蓋了用於自動化領域所有常見的輸出範圍，其中包括單極性0 V至10 V/0 mA至20 mA、雙極性±10 V/±20 mA以及所有子範圍（例如用於製程自動化的4 mA至20 mA）。每種設定都提供20%的超量程範圍。這些值的輸出採用16位元解析度。
圖2.AD5758的功能框圖。
功率損耗大幅降低
是什麼性能使得AD5758能特別適合溫度和空間受限的應用？損耗主要發生在帶有DC-DC轉換器和輸出驅動器級的電源部分。這正是智慧電源管理的用武之地。AD5758具有自我調整負載調整或動態功率控制(DPC)功能。DPC在電流輸出模式下啟動，並控制驅動特定負載所需的驅動器級上的電壓。根據工作條件，電流輸出的負載電壓(I × RLOAD)僅佔電源電壓的一小部分。電源電壓差必須事先以功率損耗的形式透過串聯電晶體加以耗散。DPC現在將驅動器電壓調節到比實際所需的負載電壓（為輸出電晶體保留裕量）高幾伏特，從而將損耗降至最低。只有利用開關穩壓器才能以這種方式進行電壓的有效調節，而該元件已經整合在AD5758中，並可根據負載進行自動控制。即使在開關穩壓器和上游電源中出現額外的損耗，總體功率損耗的降低仍然非常明顯，尤其對於小負載電阻更是如此（見表1）。這首先使得小尺寸設計成為可能，而且電路板也能保持良好的散熱。
表1.輸出電流I = 20 mA且固定電源電壓為24 V時的理論損耗（不考慮DC-DC的內部功耗和效率）
|
RLOAD |
VLOAD (V) |
未採用DPC時的損耗(mW) |
採用DPC時的損耗(mW) |
減少(mW) |
|
0 Ω |
0 |
480 |
100 |
380 |
|
50 Ω |
1 |
460 |
80 |
380 |
|
1 kΩ |
20 |
80 |
50 |
30 |
降額設定嚴格的限制
降額定義為在規定邊界條件下的性能降低，類似於功率半導體中的安全工作區(SOA)。由於前面提到的功率損耗和相關的冷卻問題，未採用DPC的輸出模組受到更嚴格的熱限制。如今，信用卡大小的模組上具有兩個或四個通道很常見。通常模組的額定環境溫度最高為60°C。但是，在這些環境條件下，並非所有四個通道都可以驅動非常小的負載，因為在未採用DPC的四個通道中，模組中的功率損耗會達到3 W，產生的熱量會使元件快速達到其極限值。透過熱降額（圖3），模組製造商在較高的環境溫度下僅能使用四個可用通道中的一個或兩個，因而大幅降低了可用性和通道成本性能。
降額定義為在規定邊界條件下的性能降低，類似於功率半導體中的安全工作區(SOA)。由於前面提到的功率損耗和相關的冷卻問題，未採用DPC的輸出模組受到更嚴格的熱限制。如今，信用卡大小的模組上具有兩個或四個通道很常見。通常模組的額定環境溫度最高為60°C。但是，在這些環境條件下，並非所有四個通道都可以驅動非常小的負載，因為在未採用DPC的四個通道中，模組中的功率損耗會達到3 W，產生的熱量會使元件快速達到其極限值。透過熱降額（圖3），模組製造商在較高的環境溫度下僅能使用四個可用通道中的一個或兩個，因而大幅降低了可用性和通道成本性能。
圖3.典型的降額曲線。
由於AD5758具有自我調整調節功能，其功率損耗僅在很低程度上取決於負載電阻，對於0 kΩ至1 kΩ的負載，其功率損耗始終保持在250 mW以下（表2）。因此，根據輸出模組的設計，將能實現八個隔離通道，其總體功率損耗<2 W。5 mm × 5 mm LFCSP封裝的接面至環境熱阻ΘJA為46 K/W，在200 mW的功率損耗下溫升小於10°C。AD5758的額定環境溫度可高達115°C。這為多通道模組提供了很大的裕量，而無需降額。
表2.I = 20 mA和電源 = 24 V時DPC工作模式下的功率測量值
|
RLOAD RLOAD |
Load Voltage 負載電壓 |
PTOTAL PTOTAL |
PLOAD PLOAD |
Power Loss 功率損耗 |
|
0 Ω 0 Ω |
0 0 |
222 222 |
0 0 |
222 222 |
|
250 Ω 250 Ω |
5 5 |
296 296 |
100 100 |
196 196 |
|
750 Ω 750 Ω |
15 15 |
509 509 |
300 300 |
209 209 |
|
1 kΩ 1 kΩ |
20 20 |
609 609 |
400 400 |
209 209 |
功率損耗值還包括使用ADP1031進行電源和資料隔離而產生的功耗。
電源優化
電源電壓具有不同的要求：
u 邏輯電壓：除了（工作模式取決於單極性或雙極性）驅動器電源之外，AD5758輸出IC還需要一個3.3 V的邏輯電壓為內部模組供電。這可以利用晶片內LDO穩壓器產生；但是，為了提高效率並降低功率損耗，建議使用切換開關穩壓器。
電源電壓具有不同的要求：
u 邏輯電壓：除了（工作模式取決於單極性或雙極性）驅動器電源之外，AD5758輸出IC還需要一個3.3 V的邏輯電壓為內部模組供電。這可以利用晶片內LDO穩壓器產生；但是，為了提高效率並降低功率損耗，建議使用切換開關穩壓器。
u 隔離式驅動器電源：出於安全考慮，PLC匯流排與I/O模組之間始終保持電氣隔離。圖1採用不同顏色顯示了這種隔離，其中包括邏輯（匯流排）端、電源和現場端輸出的三種不同電位。
因為通常在電路板上也會對這三個部分進行空間分隔，即輸出端朝向正面連接器端子設定，而背板匯流排（顧名思義）位於背面，所以將隔離、電源和輸出驅動器整合到單晶片中並不明智。
電源管理單元ADP1031（圖4）執行所有功能，並與AD5758搭配工作，能夠在更小的空間需求和功率損耗下實現隔離式輸出模組的開發（圖5）。
圖4.電源管理單元ADP1031。
ADP1031在9 mm × 7 mm封裝尺寸內整合了四個模組：
u 反馳式轉換器，用於產生正隔離電源電壓VPOS。
u 反相器，用於產生雙極性輸出所需的負電源VNEG。
u 降壓型轉換器，用於為AD5758的邏輯電路提供VLOG。
u 具有額外GPIO的隔離SPI資料介面。
反馳式轉換器的優勢是效率高；僅需一個小尺寸的1:1變壓器。反馳式轉換器在第一級可產生高達28 V的隔離驅動器電壓。由此生成反相器和降壓型轉換器，它們共用相同的地電位。
在電源管理單元的設計過程中，ADI 並特別加強了電磁相容性(EMC)和強固性。例如，輸出電壓相移，且反馳式控制器的壓擺率可調。同時還為所有三個電壓添加了軟啟動、過壓保護和電流限制功能，以實現良好的測量。
隔離式SPI介面基於成熟的iCoupler®技術，可傳輸工作所需的所有控制訊號。因此實現了高速資料路徑（四個通道）和較低速率的GPIO控制路徑（三個複用通道）之間的區分。潛在的應用是透過共同的控制訊號同步啟動多通道模組或多個模組中的輸出，回讀錯誤標誌或觸發安全關斷。
系統優勢
AD5758和ADP1031的組合提供隔離式類比輸出的完整功能，僅需兩個晶片。尺寸約為13 mm × 25 mm，通道空間要求更小，僅為目前解決方案的一半。
除了節省空間以外，關鍵功能的整合還使佈局更簡潔、電位便於分離並且硬體成本顯著降低。ADI的8通道展示設計僅使用一塊六層板，尺寸為77 mm × 86 mm（圖6）。
優勢總結：
u 透過功率損耗優化，使模組更小且每個模組具有更多通道
u 無需降額，允許更高的環境溫度
u 減少硬體工作量，從而降低成本
u 輕鬆實現多通道模組的可擴展性
u 可靠的設計和更多診斷功能
圖5.採用ADP1031和AD5758實現完整的4通道類比輸出。
圖6.隔離式8通道AO模組。
