在工廠自動化和過程控製應用中
，數模轉換器（DAC）通常在用於可編程邏輯控製器（PLC）和傳感器發射器的模擬輸出中被發現。這兩種情況下，DAC都可用於傳送電壓輸出或電流輸出。

 

DAC8775是TI最新的高精度DAC，通過包括4-20mA驅動器、電壓輸出和片上自適應電源管理在行業中最具集成性。在這篇博文中，我將提供與DAC8775相關的設計技術示例，並探索如何設計這個行業的當前趨勢。

 

許多係統控製器由於傳感器數量的增加而處理數百個輸入/輸出（I / O）點。這給設計人員提供了一個挑戰，即將更多的I / O通道融入一個小型形狀係數，增加了對熱優化和高效率係統的需求。大多數模擬輸出模塊4-20mA驅動電路采用具有增益級的高側電壓 - 電流轉換電路。圖1所示為典型的架構。

 

由放大器A1建立的回路將DAC輸出電壓轉換成電流。通過負反饋
，放大器A1將R_SET兩側的電壓設置為等於DAC輸出。R_SET兩側的這個電壓降將設定流過第一級I_M的電流。（我假設I_RSET等於I_M的理想情況）。通過使用由放大器A2和R_MIRROR鱷魚R_SENSE電阻對的組合建立的回路，產生的電流I_M進一步被增益。放大器A2將強製R_SENSE兩側的電壓等於V_MIRROR。通過與R_MIRROR和R_SENSE的比例成正比的因子，這產生了從I_M增益的負載電流。如圖1所示，R_LOAD通常表示線性執行器負載，如同PLC係統的情況。由於目前通過R_MIRROR不提供負載
，這將直接降低係統的效率。良好的設計實踐是將該電流最小化，將其設置為小於輸出電流的1％。出於計算的目的
，假設R_MIRROR和R_SENSE之間的高比率（> 1到100），我們忽略I_M。

 

圖1：高側電壓 - 電流轉換器

 

在典型情況下

，V_POS電壓可以在12-36V之間變化。R_LOAD也可以從短電阻到1kΩ變化。為了說明這一點，可以考慮我們的第一個示例，即V_POS等於36V
，R_LOAD等於1Ω的情況。當閥門設定為滿量程時
，控製器將通過負載驅動20mA。這意味著負載消耗的功率是P_LOAD = I²R = 0.4mW。

 

所產生的總功率為P_generated = = 0.72W。從這個例子可以看出
，電壓 - 電流轉換電路耗散剩餘的功率：0.72W-0.4mW = 0.7196W。這是一個非常低效的係統，並將導致係統溫度的不必要地增加。

 

考慮第二個示例
，其中負載阻抗較高，為1kΩ。在這種情況下，P_LOAD = I²R = 0.4W。所產生的總功率為P_generated = = 0.72W。電壓 - 電流轉換電路耗散其餘功率：0.72W-0.4W = 0.32W。

 

您(nin)可(ke)以(yi)想(xiang)象(xiang)，如(ru)果(guo)存(cun)在(zai)大(da)量(liang)的(de)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)，在(zai)這(zhe)麼(me)小(xiao)的(de)空(kong)間(jian)中(zhong)增(zeng)加(jia)更(geng)多(duo)的(de)通(tong)道(dao)將(jiang)變(bian)得(de)不(bu)可(ke)持(chi)續(xu)，這(zhe)直(zhi)接(jie)增(zeng)加(jia)係(xi)統(tong)溫(wen)度(du)
，降(jiang)低(di)可(ke)靠(kao)性(xing)並(bing)增(zeng)加(jia)故(gu)障(zhang)。我(wo)給(gei)出(chu)的(de)示(shi)例(li)顯(xian)示(shi)單(dan)通(tong)道(dao)設(she)計(ji)的(de)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)。在(zai)存(cun)在(zai)四(si)個(ge)通(tong)道(dao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，第(di)一(yi)個(ge)和(he)第(di)二(er)個(ge)示(shi)例(li)中(zhong)的(de)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)分(fen)別(bie)接(jie)近(jin)2.8W和1.2W。

 

由於功率損耗隨著更高通道數模塊的使用而急劇增加，一種可能的解決方案是根據負載自適應地更改V_POS供應。您可以通過添加一個簡單的反饋網絡並使用降壓/升壓轉換器為負載提供必要的電源來實現。這樣的係統將如圖2所示的框圖。

 

圖2：具有降壓/升壓轉換器的高端電壓 - 電流轉換器

 

在這種設計技術中
，降壓/升壓轉換器將檢測驅動負載的輸出FET的漏極 - 源極電壓，並產生內部成比例的誤差電流。通過複雜的狀態機算法，設備將決定降低或提升電源。該技術在四通道DAC8775中得以實現，從而實現更高的效率。

 

如果使用與第一個示例相同的值，當負載為1Ω時
，降壓/升壓轉換器會將DAC的電源降低，從而獲得所需的最小電源。在DAC8775的情況下
，將低至4.5V。

 

如在第一個示例中

，P_LOAD = I²R = 0.4mW。產生的總功率為P_generated = VI = 0.09W。電壓 - 電流轉換電路耗散其餘功率：0.09W-0.4mW = 89.6mW。因此，與示例1相比，功耗提高了8倍。

 

對於1kΩ負載情況，P_LOAD = I²R = 0.4W。所產生的總功率為P_generated = = 0.46W
，因為降壓/升壓轉換器將V_POS設置為23V。電壓 - 電流轉換電路耗散其餘功率：0.46W-0.4W = 0.06W。因此，與沒有降壓/升壓轉換器反饋的設計相比
，功耗提高了五倍。

 

DAC8775的(de)效(xiao)率(lv)也(ye)導(dao)致(zhi)需(xu)要(yao)更(geng)多(duo)的(de)熱(re)優(you)化(hua)係(xi)統(tong)。在(zai)具(ju)有(you)和(he)不(bu)具(ju)有(you)自(zi)適(shi)應(ying)功(gong)率(lv)反(fan)饋(kui)電(dian)路(lu)的(de)四(si)通(tong)道(dao)設(she)計(ji)中(zhong)比(bi)較(jiao)芯(xin)片(pian)的(de)結(jie)溫(wen)顯(xian)示(shi)了(le)芯(xin)片(pian)溫(wen)度(du)的(de)顯(xian)著(zhu)改(gai)善(shan)。圖(tu)3和圖4所示為DAC8775的測量結果，比較了在1Ω和1kΩ RLOAD情況下，使用和不使用降壓/升壓轉換器的模溫。從圖3可以看出，這種技術可以將結溫提高至高達36°C。

 

當(dang)將(jiang)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)通(tong)道(dao)擠(ji)入(ru)更(geng)小(xiao)的(de)空(kong)間(jian)時(shi)，熱(re)優(you)化(hua)成(cheng)為(wei)區(qu)分(fen)模(mo)塊(kuai)功(gong)能(neng)的(de)關(guan)鍵(jian)性(xing)能(neng)參(can)數(shu)。在(zai)熱(re)量(liang)未(wei)優(you)化(hua)的(de)模(mo)塊(kuai)中(zhong)，係(xi)統(tong)故(gu)障(zhang)是(shi)常(chang)見(jian)的(de)
，且(qie)由(you)於(yu)溫(wen)度(du)漂(piao)移(yi)較(jiao)大(da)，性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)。DAC8775由於其高集成度和高效率而解決了這兩個挑戰
，並具有出色的DC和漂移性能。

 

圖3：R_LOAD的模溫為1Ω

 

圖4：1KΩ的R_LOAD的模溫

 

如果芯片溫度超過150℃，DAC8775提供過溫報警，這是豐富的智能診斷功能的其中一個特色
，可幫助早期檢測故障。這些包括開路負載、短路、循環冗餘校驗（CRC）、看門狗定時器和合規電壓。除了故障警報之外
，設備還允許您選擇便於可靠的係統操作的預設操作。您可以告知設備什麼都不做、停機或進入預編程的安全碼。

 

 

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