簡化隔離式軟體可配置I/O通道設計的高整合度、系統級方法

作者：ADI應用工程師Valerie Hamilton


摘要

本文介紹一種軟體可配置輸入/輸出(I/O)元件及其專用隔離電源和資料解決方案，該解決方案有助於因應系統級工業應用的設計挑戰，並闡述在設計單個IC時從系統級角度進行思考的優勢，且重點討論建議解決方案的功耗優化功能。

簡介

為程序控制、工廠自動化、建築控制系統等工業應用設計系統級隔離式I/O解決方案時，有許多方面需要考慮，其中包括功耗、資料隔離和外型尺寸。圖1顯示了系統解決方案，其在隔離式單通道軟體可配置I/O解決方案中使用 AD74115H 和 ADP1034 ，解決了電源、隔離和面積挑戰。透過將ADP1034的電源和資料隔離功能與AD74115H的軟體可配置能力相結合，可以僅使用兩個IC和非常少的外部電路來設計一個隔離式單通道I/O系統。

系統級解決方案

ADP1034為一款高性能隔離式電源管理單元，包含一個隔離反馳式穩壓器、一個反相降壓升壓調節器和一個降壓調節器，提供三個隔離式電源軌並整合了七個低功耗數位隔離器。ADP1034並具有可編程功率控制(PPC)功能，可透過單線介面按需調整VOUT1上的電壓。VOUT1為AD74115H AVDD電源軌提供6 V至28 V的電壓。VOUT2為AD74115H電源軌AVCC和DVCC提供5 V電壓。如需要，其並能為外部基準電壓源提供電源電壓。VOUT3為AD74115H AVSS電源軌提供-5 V至-24 V的電壓。

功耗和優化

設計通道間隔離模組時，主要的權衡通常是在功耗和通道密度之間。隨著模組尺寸縮小，通道密度增加，每個通道的功耗必須降低，以滿足模組的最大功耗預算要求。在此種狀況下，模組是指ADP1034和AD74115H，當其共同使用時，可提供隔離電源、資料隔離和軟體可配置I/O功能。

AD74115H和ADP1034之所以成為卓越的低功耗解決方案，原因在於整合PPC功能。PPC讓使用者能夠按照需求調整VOUT1電壓（AD74115H AVDD電源電壓）。此種方法可大幅降低模組在低負載條件下的功耗，特別是在電流輸出模式下。

使用PPC功能時，系統中的主機控制器透過SPI向AD74115H發送所需的電壓代碼，該代碼隨後透過單線序列介面(OWSI)傳遞至ADP1034。OWSI實現了CRC校驗功能，非常穩健，可抵抗惡劣工業環境中可能存在的EMC干擾。

查看功耗計算示例可知，如果AVDD = 24 V且負載為250 Ω，則對於20 mA的電流輸出，模組總功耗為748 mW。當使用PPC將AVDD電壓降至8.6 V（負載電壓 + 餘裕）時，模組功耗約為348 mW，表示模組內節省了400 mW的功耗。

功耗計算示例

示例1和示例2選擇了電流輸出用例，驅動20 mA輸出。負載為250 Ω，致能ADC，以每秒20個樣本轉換預設測量配置。

Figure 1. An ADP1034 and AD74115H circuit diagram.
圖1.ADP1034和AD74115H電路圖

示例1（無PPC）：

AD74115H輸出功率 = (AVDD = 24 V) × 20 mA = 480 mW

AD74115H輸入功率 = AD74115HQUIESCENT (206 mW) + ADC功耗 (30 mW) + 480 mW = 716 mW

模組輸入功率 = 716 mW + ADP1034功耗 (132 mW) = 848 mW

負載功耗 = 20 mA2 × 250 Ω = 100 mW

模組總功耗 =（模組輸入功率 - 負載功耗）= 748 mW

在示例2中可以看到，當致能PPC功能以將AVDD降低到所需電壓(20 mA × 250 Ω) + 3.6 V餘裕 = 8.6 V時，模組的功耗降至348 mW。

示例2（致能PPC）：

AD74115H輸出功率 = (AVDD = 8.6 V) × 20 mA = 172 mW

AD74115H輸入功率 = AD74115HQUIESCENT (136 mW) + ADC Power (30 mW) + 172 mW = 338 mW

模組輸入功率 = 338 mW + ADP1034 Power (100 mW) = 448 mW

負載功耗 = 20 mA2 × 250 Ω = 100 mW

模組總功耗 =（模組輸入功率 - 負載功耗）= 348 mW

圖2顯示了AD74115H應用板上在25°C時的實測功耗。測量結果顯示，功耗略低於計算的功耗。此結果會因元件而略有不同。

Figure 2. Measurement data 20 mA into 250 Ω load, AVDD = 24 V, AVDD = 8.6 V (PPC used).
圖2.測量資料：驅動20 mA到250 Ω負載，AVDD = 24 V，AVDD = 8.6 V（使用PPC）

圖3顯示了使用PPC的模組（ADP1034和AD74115）功耗（針對每個負載電阻值設定優化的AVDD）與不同負載電阻值的關係。兩個不同的電壓被施加於ADP1034的VINP（15 V和24 V），以顯示ADP1034的效率。測量是在25°C下進行。

Figure 3. Power dissipation vs. RLOAD at 20 mA output.
圖3.20 mA輸出時功耗與RLOAD的關係

圖4顯示了不同溫度下使用PPC的功耗（針對每個負載電阻值設定優化的AVDD）與不同負載電阻值的關係。

Figure 4. Power dissipation vs. temperature.
圖4.功耗與溫度的關係

表1.使用PPC的AD74115H典型用例功耗

VINP (V) AVDD
電壓 (V)		 用例 負載 功耗(mW)
24 8.6 電流輸出 250 Ω 322
24 18 電壓輸入 N/A 250
24 18 電流輸入外部供電 24 mA HART致能 HART禁用
422 334
24 18 電流輸入迴路透過HART®供電 24 mA 456
24 16.5 電壓輸出雙極性12 V範圍 1 kΩ ZS 碼 FS 碼
345 333
24 18 2 線RTD 250 Ω 260
24 18 3 線RTD 250 Ω 295
24 18 4 線RTD 250 Ω 268
24 18 數位輸入邏輯 2.4 mA灌電流 297
24 18 數位輸入迴路供電 250 Ω 667
24 12 數位輸出內部 12 V繼電器~278 Ω線圈電阻 拉電流 灌電流
265 285

數位輸出用例

在工業應用中，數位輸出被認為是最耗電的使用場景。AD74115H支援內部和外部拉電流與灌電流數位輸出。ADP1034可為內部數位輸出功能提供足夠的功率，支援最高100 mA的連續拉電流或灌電流。在如此情況下，數位輸出電路電源DO_VDD直接連接到AVDD。對於100 mA以上的電流，必須使用外部數位輸出功能，這需要將額外的電源連接到DO_VDD。

內部數位輸出用例超時

為了支援在初始上電時對容性負載充電，可以在使用內部數位輸出用例的同時，致能更高的短路限流值(~280 mA)，致能的時間T1可編程。經過T1時間後，部署第二短路限流值(~140 mA)。這是一個較低的限流值，在可編程的持續時間T2內有效。在這些短路情況下，系統需要更多電流，因此必須注意確保ADP1034 VOUT1電壓不會驟降。為確保無驟降，如果需要24 V DO_VDD，建議將24 V電壓作為ADP1034的系統電源電壓。這是24 V繼電器的典型電壓需求。對於12 V繼電器，建議使用至少18 V的系統電源電壓(ADP1034 VINP)，以確保可以為負載提供足夠的電流。

圖5和圖6顯示了DO_VDD與T1和T2短路限值的關係，證明了使用ADP1034提供大電流的穩定性。

Figure 5. System supply = 24 V, DO_VDD voltage = 24 V.
圖5.系統電源 = 24 V，DO_VDD電壓 = 24 V
Figure 6. System supply = 24 V, DO_VDD voltage = 12 V.
圖6.系統電源 = 24 V，DO_VDD電壓 = 12 V

資料隔離和解決方案尺寸

ADP1034採用ADI的iCoupler®專利技術，在7 mm × 9 mm封裝中整合了三個隔離電源軌，包括SPI資料和三個GPIO隔離通道。此種高整合度將所有通道隔離要求整合到PCB上的一個社區域中，有助於解決PCB面積挑戰，而且實現了省電。當通道不使用時，ADP1034的控制器端將其他SPI隔離器通道置於低功耗狀態。這表示通道僅在需要時才處於活動狀態。三個隔離GPIO通道用於隔離AD74115H的RESET、ALERT和ADC_RDY接腳，從而滿足AD74115H的所有隔離要求，而無需增加額外的隔離器IC成本。

結語

即使對於經驗十分豐富的設計人員而言，設計低功耗、精巧尺寸的通道間隔離I/O解決方案可能是一項挑戰。ADP1034和AD74115H系統級解決方案透過高整合度和系統級設計方法因應了該挑戰。由單個IC從單個系統電源提供三個隔離電源軌，並提供整合資料隔離，這使得BOM成本大幅降低。另外由於AD74115H的彈性，使該系統設計將能滿足大多數I/O工業應用的要求。