【導讀】本文介紹一種軟件可配置輸入/輸出(I/O)器件及其專用隔離電源和數據解決方案
，該解決方案有助於應對係統級工業應用的設計挑戰。本文闡述了在設計單個IC時從係統級角度進行思考的優勢
，並重點討論了建議解決方案的功耗優化功能。

簡介

為過程控製、工廠自動化、樓宇控製係統等工業應用設計係統級隔離式I/O解決方案時
，有許多方麵需要考慮
，其中包括功耗
、數據隔離和外形尺寸。圖1顯示了係統解決方案
，其在隔離式單通道軟件可配置I/O解決方案中使用 AD74115H 和ADP1034 ，解決了電源
、隔離和麵積挑戰。通過將ADP1034的電源和數據隔離功能與AD74115H的軟件可配置能力相結合
，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係統。

係統級解決方案

ADP1034是一款高性能隔離式電源管理單元，包含一個隔離反激式穩壓器、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集成了七個低功耗數字隔離器。ADP1034還具有可編程功率控製(PPC)功能，可通過單線接口按需調整V_OUT1上的電壓。V_OUT1為AD74115H AV_DD電源軌提供6 V至28 V的電壓。V_OUT2為AD74115H電源軌AV_CC和DV_CC提供5 V電壓。如需要，它還能為外部基準電壓源提供電源電壓。V_OUT3為AD74115H AV_SS電源軌提供-5 V至-24 V的電壓。

功耗和優化

shejitongdaojiangelimokuaishi，zhuyaodequanhengtongchangshizaigonghaohetongdaomiduzhijian。suizhemokuaichicunsuoxiao，tongdaomiduzengjia

，meigetongdaodegonghaobixujiangdi，yimanzumokuaidezuidagonghaoyusuanyaoqiu。zaizhezhongqingkuangxia，mokuaishizhiADP1034和AD74115H
，當它們共同使用時，可提供隔離電源、數據隔離和軟件可配置I/O功能。

AD74115H和ADP1034之所以成為出色的低功耗解決方案，原因在於集成PPC功能的引入。PPC使用戶能夠按照需求調整V_OUT1電壓（AD74115H AV_DD電源電壓）。這種方法可以大大降低模塊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，係統中的主機控製器通過SPI向AD74115H發送所需的電壓代碼，該代碼隨後通過單線串行接口(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幹擾。

查看功耗計算示例可知，如果AV_DD = 24 V且負載為250 Ω
，則對於20 mA的電流輸出
，模塊總功耗為748 mW。當使用PPC將AV_DD電壓降至8.6 V（負載電壓 + 裕量）時

，模塊功耗約為348 mW。這表明模塊內節省了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，使能ADC，以每秒20個樣本轉換默認測量配置。

圖1.ADP1034和AD74115H電路圖

示例1（無PPC）：

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

AD74115H輸入功率 = AD74115H_QUIESCENT (206 mW) + ADC功耗 (30 mW) + 480 mW = 716 mW

模塊輸入功率 = 716 mW + ADP1034功耗 (132 mW) = 848 mW

負載功耗 = 20 mA² × 250 Ω = 100 mW

模塊總功耗 =（模塊輸入功率 - 負載功耗）= 748 mW

在示例2中可以看到，當使能PPC功能以將AV_DD降低到所需電壓(20 mA × 250 Ω) + 3.6 V裕量 = 8.6 V時
，模塊的功耗降至348 mW。

示例2（使能PPC）：

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

AD74115H輸入功率 = AD74115H_QUIESCENT (136 mW) + ADC Power (30 mW) + 172 mW = 338 mW

模塊輸入功率 = 338 mW + ADP1034 Power (100 mW) = 448 mW

負載功耗 = 20 mA₂ × 250 Ω = 100 mW

模塊總功耗 =（模塊輸入功率 - 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。測量結果表明
，功耗略低於計算的功耗。此結果會因器件而略有不同。

圖2.測量數據：驅動20 mA到250 Ω負載，AV_DD = 24 V，AV_DD = 8.6 V（使用PPC）

圖3顯示了使用PPC的模塊（ADP1034和AD74115）功耗（針對每個負載電阻值設置優化的AV_DD）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。

圖3.20 mA輸出時功耗與R_LOAD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置優化的AV_DD）與不同負載電阻值的關係。

圖4.功耗與溫度的關係

表1.使用PPC的AD74115H典型用例功耗

數字輸出用例

在工業應用中，數字輸出被認為是最耗電的使用場景。AD74115H支持內部和外部拉電流與灌電流數字輸出。ADP1034可為內部數字輸出功能提供足夠的功率，支持最高100 mA的連續拉電流或灌電流。在這種情況下
，數字輸出電路電源DO_V_DD直接連接到AV_DD。對於100 mA以上的電流
，必須使用外部數字輸出功能，這需要將額外的電源連接到DO_V_DD。

內部數字輸出用例超時

為了支持在初始上電時對容性負載充電，可以在使用內部數字輸出用例的同時
，使能更高的短路限流值(~280 mA)，使能的時間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，係統需要更多電流
，因此必須注意確保ADP1034 V_OUT1電壓不會驟降。為確保無驟降
，如果需要24 V DO_V_DD，建議將24 V電壓作為ADP1034的係統電源電壓。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的係統電源電壓(ADP1034 V_INP)
，以確保可以為負載提供足夠的電流。

圖5和圖6顯示了DO_V_DD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。

圖5.係統電源 = 24 V，DO_V_DD電壓 = 24 V

圖6.係統電源 = 24 V
，DO_V_DD電壓 = 12 V

數據隔離和解決方案尺寸

ADP1034采用ADI公司的iCoupler®專利技術
，在7 mm × 9 mm封裝中集成了三個隔離電源軌，包括SPI數據和三個GPIO隔離通道。這種高集成度將所有通道隔離要求整合到PCB上的一個小區域中
，有助於解決PCB麵積挑戰

，而且實現了省電。當通道不使用時，ADP1034的控製器端將其他SPI隔離器通道置於低功耗狀態。這意味著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引腳，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

設計一種低功耗
、小尺寸的通道間隔離I/O解決方案

，哪怕是對於業內一些經驗十分豐富的設計人員而言
，也可能是一項挑戰。ADP1034和AD74115H係統級解決方案通過高集成度和係統級設計方法化解了該挑戰。由單個IC從單個係統電源提供三個隔離電源軌，並提供集成數據隔離，這使得BOM成本大幅降低。再加上AD74115H的靈活性，該係統設計將能滿足大多數I/O工業應用的要求。

來源：ADI

作者：Valerie Hamilton

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