自适应负载调整和动态功率控制实现模拟输出的高效散热设计

当今典型的可编程逻辑控制器(PLC)包含许多模拟和数字输出，用来控制和监视工业及生产过程。模块化被广泛采用，并且在输入和输出(I/O)方面，它涵盖了模拟I/O和数字I/O的基本功能。模拟输出提出了一个特殊的挑战（如图1所示），因为需要在众多不同负载条件下提供高精度的有源驱动设定值。有源驱动 器级此时变得尤为重要；损耗应尽量小。



图1. 隔离式模拟输出系统框图。

需要考虑的因素如下：

• 连接的负载
  
• 允许的最高环境温度和内部模块温度
  
• 通道数和模块尺寸
  
• 电气隔离接口
  
• 精度
  

在过程自动化中，通常还需要在各个输出通道之间建立电气隔离。除此之外，还有一些其他要求，例如基于通道的诊断或对 HART®信号的支持。鲁棒性和容错性也是必备条件。
由于半导体的发展和混合信号工艺的不断改进，高集成密度的超小型电路成为可能。模拟输出通道的功能能够被完整地集成到IC中。因此， AD5758在 5 mm × 5 mm 封装尺寸内集成了 DAC 和驱动器的基本功能，以及众多其他模拟和逻辑功能，例如用于诊断的ADC、智能电源管理、基准电压源、可防止反向和过压的故障开关、数据校准寄存器以及SPI通信接口。
AD5758（图2）涵盖了用于自动化领域所有常见的输出范围：单极性0 V至10 V/0 mA至20 mA、双极性±10 V/±20 mA 以及所有子范围（例如用于过程自动化的4 mA至20 mA）。每种设置都提供20%的超量程范围。这些值的输出采用16位分辨率。



图2. AD5758的功能框图。

功率损耗大幅降低

什么性能使AD5758特别适合温度和空间受限的应用？损耗主要发生在带有DC-DC转换器和输出驱动器级的电源部分。这正是智能电源管理的用武之地。AD5758具有自适应负载调整或动态功率控制(DPC)功能。DPC在电流输出模式下激活，并控制驱动特定负载所需的驱动器级上的电压。根据工作条件，电流输出的负载电压 (I × RLOAD) 仅占电源电压的一小部分。电源电压差必须事先以功率损耗的形式通过串联晶体管加以耗散。DPC现在将驱动器电压调节到比实际所需的负载电压（为输出晶体管保留裕量）高几伏特，从而将损耗降至最低。只有利用开关稳压器才能以这种方式进行电压的有效调节，而该器件已经集成在AD5758中，并可根据负载进行自动控制。
即使在开关稳压器和上游电源中出现额外的损耗，总体功率损耗的降低仍然非常明显，尤其对于小负载电阻更是如此（见表1）。这首先使小尺寸设计成为可能，而且电路板也能保持良好的散热。
表1. 输出电流I = 20 mA 且固定电源电压为24 V时的理论损耗（不考虑DC-DC的内部功耗和效率）RLOADVLOAD (V)未采用 DPC 时的损耗 DPC (mW)采用 DPC 时的损耗 (mW)减少 (mW)0 Ω048010038050 Ω1460803801 kΩ20805030

降额设定严格的限制

降额定义为在规定边界条件下的性能降低，类似于功率半导体中的安全工作区(SOA)。由于前面提到的功率损耗和相关的冷却问题，未采用DPC的输出模块受到更严格的热限制。如今，信用卡大小的模块上具有两个或四个通道很常见。通常模块的额定环境温度最高为60°C。但是，在这些环境条件下，并非所有 四个通道都可以驱动非常小的负载，因为在未采用DPC的四个通道中，模块中的功率损耗会达到3 W，产生的热量会使元件快速达到其极限值。通过热降额（图3），模块制造商在较高的环境温度下仅能使用四个可用通道中的一个或两个，从而大大降低了可用性和通道成本性能。



图3. 典型的降额曲线。
由于AD5758具有自适应调节功能，其功率损耗仅在很低程度上取决于负载电阻，对于0 kΩ至1 kΩ的负载，其功率损耗始终保持在250 mW 以下（表2）。因此，根据输出模块的设计，将能实现八个隔离通道，其总体功率损耗< 2 W。5 mm × 5 mm LFCSP 封装的结至环境热阻 ΘJA 为46 K/W，在200 mW的功率损耗下温升小于10°C。AD5758的额定环境温度可高达115°C。这为多通道模块提供了很大的裕量，无需降额。
表2. I = 20 mA和电源 = 24 V 时 DPC 工作模式下的功率测量值RLOAD负载电压 (V)PTOTAL (mW)PLOAD (mW)功率损耗 (mW)0 Ω02220222250 Ω5296100196750 Ω155093002091 kΩ20609400209功率损耗值还包括使用 ADP1031进行电源和数据隔离而产生的功耗。