CN0233: 16位工业、隔离电压电流输出的DAC,同时提供隔离的DC-DC电源

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优势和特点
  • 工业输出DAC
  • 隔离电源和信号
  • 兼容+/- 10V和4-20 mA控制系统
此电路中所用产品
    应用: 
  • 可编程逻辑控制和分布式控制系统
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  • Schematic
  • Bill of Materials
  • Gerber Files
  • Assembly Drawing
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电路功能与优势

工业和仪器仪表系统,以及可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS),常常必须控制输出。控制方式有两种:电流控制(4 mA至20 mA)和电压控制(高达±10 V)。通常,此类设计还需要与本地系统控制器隔离,以防形成接地环路,同时确保不受外部事件影响。传统解决方案利用分立IC提供电源和数字隔离。当需要多通道隔离时,分立解决方案的成本和空间会变得非常不利。基于光隔离器的解决方案通常具有合理的输出调节,但需要额外的外部元件,因而会使电路板面积增大。电源模块常常体积庞大,而且输出调节可能不佳。图1所示电路基于ADuM347x系列隔离器(ADuM3470ADuM3471ADuM3472ADuM3473ADuM3474),集成了数字隔离、PWM控制的电源调节电路和相关的反馈隔离。使用外部变压器将功率传输到隔离栅的另一端。16位DAC AD5422 提供电流和电压输出。

图1. 带隔离电源的16位隔离式电流和电压输出DAC

电路描述

AD5422是一款完全集成、完全可编程的16位电压和电流输出DAC,可编程范围如下:4 mA至20 mA、0 mA至20 mA、0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V、±10 V。电压输出裕量典型值为1 V,电流输出需要大约2.5 V的裕量。这意味着,采用15 V电源时,20 mA电流输出可以驱动大约600 Ω的负载。

ADuM347x为四通道数字隔离器,集成PWM控制器和低阻抗变压器驱动器(X1和X2)。隔离式DC/DC转换器仅需要以下额外器件:变压器和简单的全波二极管整流器。采用5.0 V或3.3 V输入电源时,器件最多可提供2 W的调节隔离功率,这样就不需要单独的隔离式DC/DC转换器。

iCoupler 芯片级变压器技术用于隔离逻辑信号;集成的变压器驱动器带隔离副边控制功能,可以提高隔离式DC/DC转换器的效率。内部振荡器频率可以在200 kHz至1 MHz范围内调整,由ROC的值决定。当ROC = 100 kΩ时,开关频率为500 kHz。

ADuM3471调节来自15 V正电源。调节反馈来自分压器网络(R1、R2、R3)。电阻根据以下要求选择:当输出电压为15 V时,反馈电压为1.25 V。反馈电压与ADuM3471内部反馈设定点电压1.25 V相比较。调节通过改变驱动外部变压器的PWM信号的占空比来实现。

负电源的调节不太严格,对于轻负载,负电源可以高达−23 V,这仍然在−26.3 V的最大工作电压以内。对于1 kΩ以上的标称负载,较大未调节负电源电压导致的额外功耗不是一个问题。在要求较高顺从电压或极低功耗的应用中,应当考虑其它电源设计。

该电路利用5 V、高精度、低漂移(B级最大值为3 ppm/°C)外部基准电压源ADR445 进行测试。在工业温度范围内(−40°C至+85°C),该电路的总系统误差小于0.1%。

AD5422内部集成一个高精度基准电压源,其最大温漂为10 ppm/°C。若用该基准电压源代替外部基准电压源,则在整个工业温度范围内,只会产生0.065%的额外误差。

AD5422积分非线性(INL)在线性电源和隔离式DC/DC开关电源两种情况下进行测试,确保系统精度不会因为开关电源而有所损失。图2显示的是线性电源下的INL,图3显示的是开关电源下的INL。与线性电源相比,使用开关电源时性能没有明显损失。

图2. ±10V输出范围时电路的实测INL:使用线性电源
图3. ±10V输出范围时电路的实测INL:使用开关电源

此外还测试并比较了线性电源和开关电源两种情况下一定时间内的平均输出噪声,如图4所示。注意,一定时间内测得的输出噪声存在细微的偏差,此偏差可以归结于以下两个原因:线性负电源与未调节开关电源的差异引起的直流PSRR,以及基准电压在两次测量之间的时间中发生的漂移。

图4. 线性电源和开关电源的实测平均DAC输出噪声,DAC输出设置为−5 V,使用±10 V输出范围(1 LSB = 0.0003 V),650个采样

常见变化

经验证,采用图中所示的元件值,该电路能够稳定地工作,并具有良好的精度。如果应用只需要4 mA至20 mA电流输出,则可以使用单电源方案。这种情况下,正AVCC电源可以高达26.4 V,因此输出顺从电压为26.4 V – 2.5 V = 23.9 V。输出电流为20 mA时,可以驱动高达1 kΩ的负载电阻。

如果应用不需要16位分辨率,可以使用12位产品AD5412

ADuM347x(ADuM3470、ADuM3471、ADuM3472、ADuM3473、ADuM3474)隔离器提供四个独立的隔离通道,支持多种输入/输出通道配置。这些器件还提供1 Mbps(A级)或25 Mbps(C级)的最大数据速率。

电路评估与测试

此电路利用EVAL-AD5422EBZ电路板和EVAL-ADuM3471EBZ进行测试,二者的连接如图5所示。为确保充分测试隔离路径,控制器与AD5422之间的地、电源和数据走线被切断,信号通过ADuM3471评估板路由。

图5. 显示评估板连接的测试设置功能框图

用于收集测试数据的设备

  • 带USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows 7(32位)PC
  • EVAL-AD5422EBZ(有改动)
  • EVAL-ADuM3471EBZ(有改动)
  • AD5422电路板的评估软件
  • 电源:+5 V
  • 电源:±15 V、Agilent E3630A或等同
  • Agilent 3458A、8.5位数字万用表或同等设备
  • National Instruments GPIB转USB-B接口和电缆

设置与测试
本电路通过连接 ADuM3471 评估板和AD5422 评估板进行测试和验证,如图5所示。

变压器更换为1:5匝数比 (Coilcraft KA4976-AL),从而将双电源设置为ADuM3471评估板上的正电源和负电源。其它变更包括将R24和R22的0 Ω电阻移动到R23和R21。R23(而不是R24)短路,使J6的+7.5 V/6 V引脚变为−15 V电源引脚。R21(而不是R22)短路,从而将变压器中心抽头连接到地层,而不是连接L3、C20和C27的节点。

UG-197 的图16显示了对于双电源或正负电源配置,哪些电阻应当短路和开路。注意:有关这些硬件变更的详细信息,请参阅用户指南UG-197。

AD5422评估板经过修改,以便让数字控制信号通过ADuM3471评估板,从而充分测试AD5422的完整数据隔离路径。

INL和噪声数据通过如下方法获得:将DAC数据从PC输入AD5422评估板,利用GPIB/USB接口从3485A万用表读取结果。DAC的输入数据利用AD5422评估板软件产生。

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD5422 单通道、16位、电流源和电压输出DAC,HART连接 AD5422ACPZ-REEL7 AD5422BREZ AD5422BCPZ-REEL7 AD5422AREZ
ADR445 超低噪声、5.0V LDO XFET®基准电压源,具有吸电流和源电流能力 ADR445ARZ ADR445ARMZ
ADUM3471 隔离式开关稳压器(3/1通道方向性) ADUM3471WARSZ ADUM3471ARSZ ADUM3471WCRSZ ADUM3471CRSZ
沪ICP备09046653号
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