16位工業(yè)、隔離電壓電流輸出的DAC，同時提供隔離的DC-DC電源

電路功能與優(yōu)勢

工業(yè)和儀器儀表系統(tǒng)，以及可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)，常常必須控制輸出?？刂品绞接袃煞N：電流控制（4 mA至20 mA）和電壓控制（高達±10 V）。通常，此類設(shè)計還需要與本地系統(tǒng)控制器隔離，以防形成接地環(huán)路，同時確保不受外部事件影響。傳統(tǒng)解決方案利用分立IC提供電源和數(shù)字隔離。當需要多通道隔離時，分立解決方案的成本和空間會變得非常不利?；诠飧綦x器的解決方案通常具有合理的輸出調(diào)節(jié)，但需要額外的外部元件，因而會使電路板面積增大。電源模塊常常體積龐大，而且輸出調(diào)節(jié)可能不佳。圖1所示電路基于ADuM347x系列隔離器（ADuM3470、ADuM3471、ADuM3472、ADuM3473、ADuM3474），集成了數(shù)字隔離、PWM控制的電源調(diào)節(jié)電路和相關(guān)的反饋隔離。使用外部變壓器將功率傳輸?shù)礁綦x柵的另一端。16位DAC AD5422 提供電流和電壓輸出。

圖1. 帶隔離電源的16位隔離式電流和電壓輸出DAC

電路描述
AD5422是一款完全集成、完全可編程的16位電壓和電流輸出DAC，可編程范圍如下：4 mA至20 mA、0 mA至20 mA、0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V、±10 V。電壓輸出裕量典型值為1 V，電流輸出需要大約2.5 V的裕量。這意味著，采用15 V電源時，20 mA電流輸出可以驅(qū)動大約600 Ω的負載。

ADuM347x為四通道數(shù)字隔離器，集成PWM控制器和低阻抗變壓器驅(qū)動器（X1和X2）。隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器僅需要以下額外器件：變壓器和簡單的全波二極管整流器。采用5.0 V或3.3 V輸入電源時，器件最多可提供2 W的調(diào)節(jié)隔離功率，這樣就不需要單獨的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。

iCoupler 芯片級變壓器技術(shù)用于隔離邏輯信號；集成的變壓器驅(qū)動器帶隔離副邊控制功能，可以提高隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率。內(nèi)部振蕩器頻率可以在200 kHz至1 MHz范圍內(nèi)調(diào)整，由ROC的值決定。當ROC = 100 kΩ時，開關(guān)頻率為500 kHz。

ADuM3471調(diào)節(jié)來自15 V正電源。調(diào)節(jié)反饋來自分壓器網(wǎng)絡(luò)（R1、R2、R3）。電阻根據(jù)以下要求選擇：當輸出電壓為15 V時，反饋電壓為1.25 V。反饋電壓與ADuM3471內(nèi)部反饋設(shè)定點電壓1.25 V相比較。調(diào)節(jié)通過改變驅(qū)動外部變壓器的PWM信號的占空比來實現(xiàn)。

負電源的調(diào)節(jié)不太嚴格，對于輕負載，負電源可以高達−23 V，這仍然在−26.3 V的最大工作電壓以內(nèi)。對于1 kΩ以上的標稱負載，較大未調(diào)節(jié)負電源電壓導致的額外功耗不是一個問題。在要求較高順從電壓或極低功耗的應(yīng)用中，應(yīng)當考慮其它電源設(shè)計。

該電路利用5 V、高精度、低漂移（B級最大值為3 ppm/°C）外部基準電壓源ADR445 進行測試。在工業(yè)溫度范圍內(nèi)（−40°C至+85°C），該電路的總系統(tǒng)誤差小于0.1%。

AD5422內(nèi)部集成一個高精度基準電壓源，其最大溫漂為10 ppm/°C。若用該基準電壓源代替外部基準電壓源，則在整個工業(yè)溫度范圍內(nèi)，只會產(chǎn)生0.065%的額外誤差。

AD5422積分非線性(INL)在線性電源和隔離式DC/DC開關(guān)電源兩種情況下進行測試，確保系統(tǒng)精度不會因為開關(guān)電源而有所損失。圖2顯示的是線性電源下的INL，圖3顯示的是開關(guān)電源下的INL。與線性電源相比，使用開關(guān)電源時性能沒有明顯損失。

圖2. ±10V輸出范圍時電路的實測INL：使用線性電源

圖3. ±10V輸出范圍時電路的實測INL：使用開關(guān)電源[!--empirenews.page--]

此外還測試并比較了線性電源和開關(guān)電源兩種情況下一定時間內(nèi)的平均輸出噪聲，如圖4所示。注意，一定時間內(nèi)測得的輸出噪聲存在細微的偏差，此偏差可以歸結(jié)于以下兩個原因：線性負電源與未調(diào)節(jié)開關(guān)電源的差異引起的直流PSRR，以及基準電壓在兩次測量之間的時間中發(fā)生的漂移。

圖4. 線性電源和開關(guān)電源的實測平均DAC輸出噪聲，DAC輸出設(shè)置為−5 V，使用±10 V輸出范圍(1 LSB = 0.0003 V)，650個采樣

常見變化
經(jīng)驗證，采用圖中所示的元件值，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度。如果應(yīng)用只需要4 mA至20 mA電流輸出，則可以使用單電源方案。這種情況下，正AVCC電源可以高達26.4 V，因此輸出順從電壓為26.4 V – 2.5 V = 23.9 V。輸出電流為20 mA時，可以驅(qū)動高達1 kΩ的負載電阻。

如果應(yīng)用不需要16位分辨率，可以使用12位產(chǎn)品AD5412。

ADuM347x（ADuM3470、ADuM3471、ADuM3472、ADuM3473、ADuM3474）隔離器提供四個獨立的隔離通道，支持多種輸入/輸出通道配置。這些器件還提供1 Mbps（A級）或25 Mbps（C級）的最大數(shù)據(jù)速率。

電路評估與測試
此電路利用EVAL-AD5422EBZ電路板和EVAL-ADuM3471EBZ進行測試，二者的連接如圖5所示。為確保充分測試隔離路徑，控制器與AD5422之間的地、電源和數(shù)據(jù)走線被切斷，信號通過ADuM3471評估板路由。

圖5. 顯示評估板連接的測試設(shè)置功能框圖

用于收集測試數(shù)據(jù)的設(shè)備

帶USB端口的Windows® XP、Windows Vista®（32位）或Windows 7（32位）PC
EVAL-AD5422EBZ（有改動）
EVAL-ADuM3471EBZ（有改動）
AD5422電路板的評估軟件
電源：+5 V
電源：±15 V、Agilent E3630A或等同
Agilent 3458A、8.5位數(shù)字萬用表或同等設(shè)備
National Instruments GPIB轉(zhuǎn)USB-B接口和電纜
設(shè)置與測試
本電路通過連接 ADuM3471 評估板和AD5422 評估板進行測試和驗證，如圖5所示。

變壓器更換為1:5匝數(shù)比 (Coilcraft KA4976-AL)，從而將雙電源設(shè)置為ADuM3471評估板上的正電源和負電源。其它變更包括將R24和R22的0 Ω電阻移動到R23和R21。R23（而不是R24）短路，使J6的+7.5 V/6 V引腳變?yōu)?minus;15 V電源引腳。R21（而不是R22）短路，從而將變壓器中心抽頭連接到地層，而不是連接L3、C20和C27的節(jié)點。

UG-197 的圖16顯示了對于雙電源或正負電源配置，哪些電阻應(yīng)當短路和開路。注意：有關(guān)這些硬件變更的詳細信息，請參閱用戶指南UG-197。

AD5422評估板經(jīng)過修改，以便讓數(shù)字控制信號通過ADuM3471評估板，從而充分測試AD5422的完整數(shù)據(jù)隔離路徑。

INL和噪聲數(shù)據(jù)通過如下方法獲得：將DAC數(shù)據(jù)從PC輸入AD5422評估板，利用GPIB/USB接口從3485A萬用表讀取結(jié)果。DAC的輸入數(shù)據(jù)利用AD5422評估板軟件產(chǎn)生。