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在數字經濟、新基建、“雙碳”等多個因素的推動下，傳統制造業已在奔向智能化的道路上步履不停。根據中國工業和信息化部等八部門聯合印發的《“十四五”智能制造發展規劃》，到2025年，70%的規模以上制造業企業基本實現數字化網絡化，建成500個以上引領行業發展的智能制造示范工廠。

為了控制和監視工業及生產過程，需要在工廠自動化和工業自動化環境中部署更多的傳感器和驅動器。然而在很多此類系統中，可用的空間尺寸總是有限的，因此在珍貴的空間內實現更低功耗和更多通道成了工程師的重要挑戰。本文將就亞德諾半導體（ADI）公司提供的AD5758和 ADP1031 系統解決方案進行分享，它們解決了功耗和空間問題，支持實現更高水平的集成：即使在制造單通道功耗低于2 W的8通道模塊時，該方案也可保持小尺寸。

小尺寸有大能量，高集成IC應對信號處理挑戰

在用于工業過程控制應用的可編程邏輯控制器(PLC)中，包含了許多模擬和數字輸出，模塊化被廣泛采用，并且在輸入和輸出(I/O)方面，它涵蓋了模擬I/O和數字I/O的基本功能。由于必須在許多不同的負載條件下以高精度主動驅動設定值，因此有源驅動器級此時變得尤為重要，并且損耗應盡可能小。

隔離模擬輸出系統框圖

除了損耗問題，在過程自動化中，通常還需要在各個輸出通道之間建立電氣隔離，以及考慮基于通道的診斷或對 HART®信號的支持，魯棒性和容錯性也是必備條件。

應對以上挑戰，有一款工業數模轉換器(DAC)可一一滿足要求。ADI提供的AD5758 是一款單通道16位電壓和電流輸出數模轉換器，滿足低功耗要求。AD5758 在 5 mm × 5 mm 封裝尺寸內集成了 DAC 和驅動器的基本功能，以及眾多其他模擬和邏輯功能，例如用于診斷的ADC、智能電源管理、基準電壓源、可防止反向和過壓的故障開關、數據校準寄存器以及SPI通信接口。并且在自動化領域所有常見的輸出范圍：單極性0 V至10 V/0 mA至20 mA、雙極性±10 V/±20 mA 以及所有子范圍（例如用于過程自動化的4 mA至20 mA），AD5758 都提供支持，并有20%的超量程范圍。

AD5758的功能框圖

AD5758具有自適應負載調整或動態功率控制(DPC)功能——這使得其特別適合溫度和空間受限的應用。DPC在電流輸出模式下激活，并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) 僅占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通過串聯晶體管加以耗散。DPC現在將驅動器電壓調節到比實際所需的負載電壓（為輸出晶體管保留裕量）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，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，尤其對于小負載電阻更是如此，這首先使小尺寸設計成為可能，而且電路板也能保持良好的散熱。

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）

隔離式輸出模塊如何開發？微功耗管理單元打配合

在電源電壓方面，AD5758需滿足不同要求：除了（工作模式取決于單極性或雙極性）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塊供電；出于安全考慮，PLC總線與I/O模塊之間始終保持電氣隔離。高性能隔離式微功耗管理單元(microPMU)ADP1031提供三個隔離式供電軌，并內置四個高速串行外設接口(SPI)隔離通道和三個通用隔離器，可與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塊的開發。

AD5758和ADP1031 EMC測試板照片

在電源管理單元的設計過程中，ADI公司特別加強了電磁兼容性(EMC)和魯棒性。例如，輸出電壓相移，且反激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。上圖為采用ADP1031與AD5758的模擬輸出設計解決方案，該方案是一個單通道、隔離式工業電壓和電流輸出模塊，經過EMC測試，適用于工業過程控制和動態功率控制。IEC 61000-4-x系列標準也適用于系統層面評估電氣電子設備的抗擾度。

對于多通道的應用，AD5758和ADP1031也適應良好。ADP1031集成了具有額外GPIO的隔離SPI數據接口，該接口基于成熟的 iCoupler® 技術，可傳輸工作所需的所有控制信號。因此實現了高速數據路徑（四個通道）和較低速率的GPIO控制路徑（三個復用通道）之間的區分。潛在的應用是通過共同的控制信號同步激活多通道模塊或多個模塊中的輸出，回讀錯誤標志或觸發安全關斷。

在AD5758、ADP1031兩者的組合下，可提供隔離式模擬輸出的完整功能，僅需兩個芯片。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。關鍵功能的集成還使布局更簡潔、電位便于分離并且硬件成本顯著降低，即使只使用一塊六層板，也可進行8通道演示設計。

小尺寸（77 mm × 86 mm）隔離式8通道AO模塊

小結

智能工業的建設日益加速，ADI提供的AD5758和ADP1031組合方案通過功率損耗優化，使模塊更小且每個模塊具有更多通道；在無需降額的情況下允許更高的環境溫度，減少了工程師的硬件工作量，可有效降低成本，并適應多種工業應用場景。AD5758和ADP1031系統級解決方案支持實現可靠、緊湊的8通道（通道間隔離）模擬輸出模塊，在最壞的功耗條件下，所有8個通道都能實現出色的低功耗（低于2 W）。