教你一招，简化隔离式软件可配置I/O通道设计的高集成度系统级方法
来源:亚德诺半导体发布时间:2023-01-051294浏览
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为过程控制、工厂自动化、楼宇控制系统等工业应用设计系统级隔离式I/O解决方案时，有许多方面需要考虑，其中包括功耗、数据隔离和外形尺寸。图1显示了系统解决方案，其在隔离式单通道软件可配置I/O解决方案中使用AD74115H和ADP1034，解决了电源、隔离和面积挑战。通过将ADP1034的电源和数据隔离功能与AD74115H的软件可配置能力相结合，可以仅使用两个IC和非常少的外部电路来设计一个隔离式单通道I/O系统。系统级解决方案
ADP1034是一款高性能隔离式电源管理单元，包含一个隔离反激式稳压器、一个反相降压升压调节器和一个降压调节器，提供三个隔离式电源轨并集成了七个低功耗数字隔离器。ADP1034还具有可编程功率控制(PPC)功能，可通过单线接口按需调整VOUT1上的电压。VOUT1为AD74115H AVDD电源轨提供6V至28V的电压。VOUT2为AD74115H电源轨AVCC和DVCC提供5V电压。如需要，它还能为外部基准电压源提供电源电压。VOUT3为AD74115H AVSS电源轨提供-5V至-24V的电压。
功耗和优化
设计通道间隔离模块时，主要的权衡通常是在功耗和通道密度之间。随着模块尺寸缩小，通道密度增加，每个通道的功耗必须降低，以满足模块的最大功耗预算要求。在这种情况下，模块是指ADP1034和AD74115H，当它们共同使用时，可提供隔离电源、数据隔离和软件可配置I/O功能。
查看功耗计算示例可知，如果AVDD = 24 V且负载为250Ω，则对于20mA的电流输出，模块总功耗为748mW。当使用PPC将AVDD电压降至8.6V（负载电压+裕量）时，模块功耗约为348mW。这表明模块内节省了400mW的功耗。
- 功耗计算示例
图1.ADP1034和AD74115H电路图
在示例2中可以看到，当使能PPC功能以将AVDD降低到所需电压(20 mA × 250 Ω) + 3.6 V裕量 = 8.6 V时，模块的功耗降至348 mW。
图2显示了AD74115H应用板上在25°C时的实测功耗。测量结果表明，功耗略低于计算的功耗。此结果会因器件而略有不同。
图2. 测量数据：驱动20 mA到250 Ω负载，AVDD = 24 V，AVDD = 8.6 V（使用PPC）
图3. 20 mA输出时功耗与RLOAD的关系
图4显示了不同温度下使用PPC的功耗（针对每个负载电阻值设置优化的AVDD）与不同负载电阻值的关系。
图4.功耗与温度的关系
表1.使用PPC的AD74115H典型用例功耗
数字输出用例
在工业应用中，数字输出被认为是最耗电的使用场景。AD74115H支持内部和外部拉电流与灌电流数字输出。ADP1034可为内部数字输出功能提供足够的功率，支持最高100 mA的连续拉电流或灌电流。在这种情况下，数字输出电路电源DO_VDD直接连接到AVDD。对于100 mA以上的电流，必须使用外部数字输出功能，这需要将额外的电源连接到DO_VDD。
- 内部数字输出用例超时
图5和图6显示了DO_VDD与T1和T2短路限值的关系，证明了使用ADP1034提供大电流的稳定性。
图6. 系统电源=24 V，DO_VDD电压=12V
数据隔离和解决方案尺寸
ADP1034采用ADI公司的iCoupler®专利技术，在7mm×9mm封装中集成了三个隔离电源轨，包括SPI数据和三个GPIO隔离通道。这种高集成度将所有通道隔离要求整合到PCB上的一个小区域中，有助于解决PCB面积挑战，而且实现了省电。当通道不使用时，ADP1034的控制器端将其他SPI隔离器通道置于低功耗状态。这意味着通道仅在需要时才处于活动状态。三个隔离GPIO通道用于隔离AD74115H的RESET、ALERT和ADC_RDY引脚，从而满足AD74115H的所有隔离要求，而无需增加额外的隔离器IC成本。
结语
设计一种低功耗、小尺寸的通道间隔离I/O解决方案，哪怕是对于业内一些经验十分丰富的设计人员而言，也可能是一项挑战。ADP1034和AD74115H系统级解决方案通过高集成度和系统级设计方法化解了该挑战。由单个IC从单个系统电源提供三个隔离电源轨，并提供集成数据隔离，这使得BOM成本大幅降低。再加上AD74115H的灵活性，该系统设计将能满足大多数I/O工业应用的要求。
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