在數(shù)字經(jīng)濟、新基建、“雙碳”等多個因素的推動下，傳統(tǒng)制造業(yè)已在奔向智能化的道路上步履不停。根據(jù)中國工業(yè)和信息化部等八部門聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，到2025年，70%的規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)基本實現(xiàn)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化，建成500個以上引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的智能制造示范工廠。

為了控制和監(jiān)視工業(yè)及生產(chǎn)過程，需要在工廠自動化和工業(yè)自動化環(huán)境中部署更多的傳感器和驅(qū)動器。然而在很多此類系統(tǒng)中，可用的空間尺寸總是有限的，因此在珍貴的空間內(nèi)實現(xiàn)更低功耗和更多通道成了工程師的重要挑戰(zhàn)。本文將就亞德諾半導(dǎo)體（ADI）公司提供的AD5758和 ADP1031 系統(tǒng)解決方案進行分享，它們解決了功耗和空間問題，支持實現(xiàn)更高水平的集成：即使在制造單通道功耗低于2 W的8通道模塊時，該方案也可保持小尺寸。

小尺寸有大能量，高集成IC應(yīng)對信號處理挑戰(zhàn)

在用于工業(yè)過程控制應(yīng)用的可編程邏輯控制器(PLC)中，包含了許多模擬和數(shù)字輸出，模塊化被廣泛采用，并且在輸入和輸出(I/O)方面，它涵蓋了模擬I/O和數(shù)字I/O的基本功能。由于必須在許多不同的負載條件下以高精度主動驅(qū)動設(shè)定值，因此有源驅(qū)動器級此時變得尤為重要，并且損耗應(yīng)盡可能小。

隔離模擬輸出系統(tǒng)框圖

除了損耗問題，在過程自動化中，通常還需要在各個輸出通道之間建立電氣隔離，以及考慮基于通道的診斷或?qū)?HART®信號的支持，魯棒性和容錯性也是必備條件。

應(yīng)對以上挑戰(zhàn)，有一款工業(yè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)可一一滿足要求。ADI提供的AD5758 是一款單通道16位電壓和電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，滿足低功耗要求。AD5758 在 5 mm × 5 mm 封裝尺寸內(nèi)集成了 DAC 和驅(qū)動器的基本功能，以及眾多其他模擬和邏輯功能，例如用于診斷的ADC、智能電源管理、基準(zhǔn)電壓源、可防止反向和過壓的故障開關(guān)、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)寄存器以及SPI通信接口。并且在自動化領(lǐng)域所有常見的輸出范圍：單極性0 V至10 V/0 mA至20 mA、雙極性±10 V/±20 mA 以及所有子范圍（例如用于過程自動化的4 mA至20 mA），AD5758 都提供支持，并有20%的超量程范圍。

AD5758的功能框圖

AD5758具有自適應(yīng)負載調(diào)整或動態(tài)功率控制(DPC)功能——這使得其特別適合溫度和空間受限的應(yīng)用。DPC在電流輸出模式下激活，并控制驅(qū)動特定負載所需的驅(qū)動器級上的電壓。根據(jù)工作條件，電流輸出的負載電壓 (I × RLOAD) 僅占電源電壓的一小部分。電源電壓差必須事先以功率損耗的形式通過串聯(lián)晶體管加以耗散。DPC現(xiàn)在將驅(qū)動器電壓調(diào)節(jié)到比實際所需的負載電壓（為輸出晶體管保留裕量）高幾伏特，從而將損耗降至最低。只有利用開關(guān)穩(wěn)壓器才能以這種方式進行電壓的有效調(diào)節(jié)，即使在開關(guān)穩(wěn)壓器和上游電源中出現(xiàn)額外的損耗，總體功率損耗的降低仍然非常明顯，尤其對于小負載電阻更是如此，這首先使小尺寸設(shè)計成為可能，而且電路板也能保持良好的散熱。

輸出電流I = 20 mA 且固定電源電壓為24 V時的理論損耗（不考慮DC-DC的內(nèi)部功耗和效率）

隔離式輸出模塊如何開發(fā)？微功耗管理單元打配合

在電源電壓方面，AD5758需滿足不同要求：除了（工作模式取決于單極性或雙極性）驅(qū)動器電源之外，AD5758輸出IC還需要一個3.3 V 的邏輯電壓為內(nèi)部模塊供電；出于安全考慮，PLC總線與I/O模塊之間始終保持電氣隔離。高性能隔離式微功耗管理單元(microPMU)ADP1031提供三個隔離式供電軌，并內(nèi)置四個高速串行外設(shè)接口(SPI)隔離通道和三個通用隔離器，可與AD5758搭配工作，能夠在更小的空間需求和功率損耗下實現(xiàn)隔離式輸出模塊的開發(fā)。

AD5758和ADP1031 EMC測試板照片

在電源管理單元的設(shè)計過程中，ADI公司特別加強了電磁兼容性(EMC)和魯棒性。例如，輸出電壓相移，且反激式控制器的壓擺率可調(diào)。同時還為所有三個電壓添加了軟啟動、過壓保護和電流限制功能，以實現(xiàn)良好的測量。上圖為采用ADP1031與AD5758的模擬輸出設(shè)計解決方案，該方案是一個單通道、隔離式工業(yè)電壓和電流輸出模塊，經(jīng)過EMC測試，適用于工業(yè)過程控制和動態(tài)功率控制。IEC 61000-4-x系列標(biāo)準(zhǔn)也適用于系統(tǒng)層面評估電氣電子設(shè)備的抗擾度。

對于多通道的應(yīng)用，AD5758和ADP1031也適應(yīng)良好。ADP1031集成了具有額外GPIO的隔離SPI數(shù)據(jù)接口，該接口基于成熟的 iCoupler® 技術(shù)，可傳輸工作所需的所有控制信號。因此實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)路徑（四個通道）和較低速率的GPIO控制路徑（三個復(fù)用通道）之間的區(qū)分。潛在的應(yīng)用是通過共同的控制信號同步激活多通道模塊或多個模塊中的輸出，回讀錯誤標(biāo)志或觸發(fā)安全關(guān)斷。

在AD5758、ADP1031兩者的組合下，可提供隔離式模擬輸出的完整功能，僅需兩個芯片。尺寸約為13 mm × 25 mm，通道空間要求更小，僅為目前解決方案的一半。關(guān)鍵功能的集成還使布局更簡潔、電位便于分離并且硬件成本顯著降低，即使只使用一塊六層板，也可進行8通道演示設(shè)計。

小尺寸（77 mm × 86 mm）隔離式8通道AO模塊

小結(jié)

智能工業(yè)的建設(shè)日益加速，ADI提供的AD5758和ADP1031組合方案通過功率損耗優(yōu)化，使模塊更小且每個模塊具有更多通道；在無需降額的情況下允許更高的環(huán)境溫度，減少了工程師的硬件工作量，可有效降低成本，并適應(yīng)多種工業(yè)應(yīng)用場景。AD5758和ADP1031系統(tǒng)級解決方案支持實現(xiàn)可靠、緊湊的8通道（通道間隔離）模擬輸出模塊，在最壞的功耗條件下，所有8個通道都能實現(xiàn)出色的低功耗（低于2 W）。