用于動(dòng)態(tài)電源控制型DAC的高瞬態(tài)電流5 V穩(wěn)壓器(CN0198)

連接/參考器件

AD5755：16位、四通道、電壓輸出DAC，提供動(dòng)態(tài)電源控制

ADP2300：700 kHz異步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器

評(píng)估和設(shè)計(jì)支持

電路評(píng)估板

AD5755評(píng)估板(EVAL-AD5755SDZ)

系統(tǒng)演示平臺(tái)(EVAL-SDP-CB1Z)

ADP2300評(píng)估板(ADP2300-EVALZ)

設(shè)計(jì)和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1中的電路可為基于數(shù)模轉(zhuǎn)換器的4 mA至20 mA輸出電路提供獨(dú)特的節(jié)能解決方案。為了能對(duì)10 Ω和1000 Ω之間的典型阻性負(fù)載提供足夠的裕量，傳統(tǒng)的4 mA至20 mA輸出驅(qū)動(dòng)器級(jí)必須至少能在20 V(加上一些額外裕量)的電壓下工作，以便提供足夠的電壓，驅(qū)動(dòng)高數(shù)值的阻性負(fù)載。然而，對(duì)于低數(shù)值的阻性負(fù)載，固定的高電源電壓值會(huì)導(dǎo)致極高的內(nèi)部功耗，不僅影響DAC精度，更需采用額外的散熱手段。

四通道、16位DAC AD5755集成4個(gè)獨(dú)立的高效內(nèi)部DC-DC轉(zhuǎn)換器，能夠根據(jù)4 mA至20 mA驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際輸出電壓檢測(cè)值，以動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)的升壓驅(qū)動(dòng)4個(gè)輸出級(jí)。無(wú)論負(fù)載電阻多大，升壓電路都可在輸出級(jí)保持?jǐn)?shù)伏的裕量;對(duì)于輸入10 Ω負(fù)載的24 mA輸出電流而言，可降低大約4倍的最大內(nèi)部功耗。

內(nèi)部DC-DC轉(zhuǎn)換器需要外部5 V電源供電，當(dāng)DAC以滿量程壓擺率輸出時(shí)，轉(zhuǎn)換器將消耗大量的功耗?；贏DP2300的高效率外部DC-DC轉(zhuǎn)換器電路采用15 V電源驅(qū)動(dòng)，并同樣提供15 V電壓輸出。ADP2300具有針對(duì)高達(dá)800 mA大電流階躍的出色瞬態(tài)響應(yīng)性能，可確保升壓轉(zhuǎn)換器的正常工作，而無(wú)需使用5 V獨(dú)立電源。

整個(gè)電路采用±15 V電源供電，允許DAC提供范圍涵蓋工業(yè)信號(hào)電平的最高±10 V電壓輸出以及4 mA至20 mA的電流輸出。本器件組合是一款低成本、高能效解決方案，最大程度減少了所需的外部器件數(shù)目，并保證各種負(fù)載條件下的16位性能。

圖1. 電源方案經(jīng)修改后的電流和電壓輸出型DAC(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦)

電路描述

本電路增強(qiáng)AD5755器件對(duì)壓擺率和動(dòng)態(tài)電源的控制特性，建立了更為完整和穩(wěn)定的DAC解決方案。利用ADP2300部署簡(jiǎn)易降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，本電路可提供壓擺AD5755的輸出所需的高于普通電流值的電源電流。

AD5755工作性能與任何將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬電流的標(biāo)準(zhǔn)DAC相似(例如，0 mA至20 mA、4 mA至24 mA或0 mA至24 mA)，或與任何將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓輸出的標(biāo)準(zhǔn)DAC相似(例如，0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V或±10 V)。AD5755采用AVSS擴(kuò)展至−26.4 V和AVDD擴(kuò)展至+33.0 V的電源供電。

功耗控制

在標(biāo)準(zhǔn)電流控制模塊或執(zhí)行器設(shè)計(jì)中，負(fù)載電阻值典型范圍為50 Ω至750 Ω，但也可低至10 Ω，或高達(dá)1 kΩ。在整個(gè)負(fù)載電阻值范圍內(nèi)，必須采用可提供足夠裕量的電源電壓，為4 mA至20 mA輸出驅(qū)動(dòng)器級(jí)供電。例如，當(dāng)驅(qū)動(dòng)24 mA至1 kΩ負(fù)載時(shí)，要求使用高于27 V的電源電壓，此時(shí)假定需要具有3 V的裕量。本例中由輸出驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的內(nèi)部封裝功耗為3 V × 24 mA = 72 mW。然而，當(dāng)使用同樣的27 V電源電壓驅(qū)動(dòng)10 Ω負(fù)載時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部功耗約為27 V × 24 mA = 648 mW。對(duì)于四通道DAC而言，這表示總功耗大于2.5 W。

AD5755電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)，并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)升壓電源電壓，使其滿足電源電壓要求的同時(shí)留有足夠的裕量。對(duì)于將24 mA輸出驅(qū)動(dòng)至10 Ω而言，7.4 V的升壓電壓產(chǎn)生的內(nèi)部功耗僅為7.4 V × 24 mA = 178 mW。這表示與不進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況相比，功耗降低了將近4倍。

通過(guò)4個(gè)工作在5 V輸入電壓下的獨(dú)立DC-DC轉(zhuǎn)換器，可單獨(dú)為所有4個(gè)DAC輸出產(chǎn)生升壓電源電壓。

DC-DC轉(zhuǎn)換器

AD5755集成4個(gè)獨(dú)立的板載DC-DC轉(zhuǎn)換器，為每個(gè)獨(dú)立通道提供針對(duì)VBOOST_X電源電壓的動(dòng)態(tài)控制。圖2所示為該DC-DC電路需要的分立式元件，以下各節(jié)將介紹該電路的工作原理。

圖2. DC-DC外部電路

建議在CDCDC之后放置一個(gè)10 Ω、100 nF低通RC濾波器。雖然該器件會(huì)消耗少量電能，但會(huì)減少VBOOST_X電源上的紋波。推薦的LDCDC、CDCDC和DDCDC器件值見表1。

表1. 用于DC-DC轉(zhuǎn)換器的分立元件

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DC-DC轉(zhuǎn)換器工作原理

片上DC-DC轉(zhuǎn)換器采用一種恒頻、峰值電流模式控制方案，以將4.5 V至5.5 V的AVCC輸入升壓，從而驅(qū)動(dòng)AD5755輸出通道。這些器件設(shè)計(jì)用于工作電流斷續(xù)模式(DCM)，占空比小于90%(典型值)。

斷續(xù)導(dǎo)通模式是一種工作模式，其中電感電流在較大比例的開關(guān)周期內(nèi)為零。DC-DC轉(zhuǎn)換器屬于異步器件，要求采用外部肖特基二極管。

DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓

啟用通道電流輸出時(shí)，轉(zhuǎn)換器將VBOOST_X電源調(diào)節(jié)至7.4 V (±5%)或(IOUT × RLOAD + 裕量)(取較大值)。電壓裕量值約為3 V。在電壓輸出模式下，若輸出被禁用，轉(zhuǎn)換器將把VBOOST_X電源調(diào)節(jié)至+15 V (±5%)。在電流輸出模式下，若輸出被禁用，轉(zhuǎn)換器將把VBOOST_X電源調(diào)節(jié)至7.4 V (±5%)。

在通道內(nèi)部，VOUT_X級(jí)和IOUT_X級(jí)共用一個(gè)VBOOST_X電源，因此IOUT_X級(jí)和VOUT_X級(jí)的輸出可以連在一起。

DC-DC轉(zhuǎn)換器建立時(shí)間

在電流輸出模式下，步長(zhǎng)大于約1 V (IOUT × RLOAD)的建立時(shí)間將以DC-DC轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間為主。當(dāng)IOUT_X引腳需要的電壓與順從電壓之和低于7.4 V (±5%)時(shí)除外。負(fù)載越小，建立時(shí)間越快。當(dāng)電流步長(zhǎng)小于24mA時(shí)，建立時(shí)間也會(huì)更快。

DC-DC轉(zhuǎn)換器VMAX功能

最大VBOOST_X電壓在DC-DC控制寄存器中設(shè)置。達(dá)到該最大電壓時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器被禁用，VBOOST_X電壓則下降約0.4 V。當(dāng)VBOOST_X電壓下降時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器被重新啟用，電壓斜坡再次升到VMAX(若仍有必要)。

圖3. VMAX工作原理

從圖3可以看出，當(dāng)AD5755上升到VMAX值時(shí)，狀態(tài)寄存器中的DC-DCx位置位，但當(dāng)電壓下降到VMAX − 0.4 V時(shí)，DC-DCx位解除置位。

AVCC電源靜態(tài)電流要求

DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)用于提供此數(shù)值的VBOOST_X電壓：VBOOST = IOUT × RLOAD + Headroom

這意味著，對(duì)于固定負(fù)載和輸出電壓，DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電流可以通過(guò)下式計(jì)算：

其中：

IOUT是IOUT_X的輸出電流(單位：A)。

ηVBOOST為VBOOST_X的效率，表示為小數(shù)。

AVCC電源的壓擺電流要求

AICC在壓擺期間的電流要求大于靜態(tài)工作模式，因?yàn)檩敵龉β蕰?huì)增大，以便給DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電容充電。如果無(wú)法提供足夠的AICC電流，AVCC電壓會(huì)下降。受AVCC下降影響，壓擺所需的AICC電流會(huì)進(jìn)一步增加。這意味著AVCC端的電壓會(huì)繼續(xù)下降，VBOOST_X電壓以及輸出電壓可能永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到目標(biāo)值。由于該AVCC電壓為所有通道共用，所以這也可能會(huì)影響其他通道。

ADP2300 AVCC電源

ADP2300和某些分立元件用于創(chuàng)建簡(jiǎn)單的5 V電軌，滿足AD5755如前所述的電源電流要求。通過(guò)輸出電壓與FB引腳之間的一個(gè)電阻分壓器(見圖4)，可從外部設(shè)置輸出電壓。

圖4. ADP2300典型應(yīng)用(ADP2300評(píng)估板)

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測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果

所有測(cè)試數(shù)據(jù)均來(lái)自EVAL-AD5755SDZ、EVAL-SDP-CB1Z和ADP2300-EVALZ板。使用ADP2300的系統(tǒng)積分非線性(INL)、差分非線性(DNL)和總非調(diào)整誤差(TUE)分別見圖5、圖6和圖7。AD5755升壓調(diào)節(jié)器在所有測(cè)量過(guò)程中均處于工作狀態(tài)。

該系統(tǒng)的完整文檔位于CN0198設(shè)計(jì)支持包中。

圖5. 電壓輸出的INL

圖6. 電壓輸出的DNL

圖7. 電壓輸出的TUE

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常見變化

AD5755-1與AD5755性能相近，但前者提供HART連接。AD5755-1各通道均有一個(gè)相應(yīng)的CHARTx引腳，因此HART信號(hào)可以耦合到其電流輸出端。

電路評(píng)估與測(cè)試

本電路使用EVAL-AD5755SDZ電路板和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板。這兩片板具有120引腳的對(duì)接連接器，可以快速完成設(shè)置并評(píng)估電路性能。

EVAL-AD5755SDZ電路板包含待評(píng)估的電路，且SDP評(píng)估板與AD5755評(píng)估軟件一起使用，可獲取數(shù)據(jù)。

設(shè)備要求

需要以下設(shè)備：

帶USB端口和Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows 7(32位)PC

EVAL-AD5755SDZ電路板

EVAL-SDP-CB1Z SDP評(píng)估板

ADP2300-EVALZ評(píng)估板

AD5755評(píng)估軟件

電源：±15 V

數(shù)字萬(wàn)用表(即Agilent 34401A)

GPIB轉(zhuǎn)USB電纜(僅在捕捉DAC模擬數(shù)據(jù)并將其傳送到PC時(shí)才需要)

開始使用

將AD5755評(píng)估軟件光盤放入PC中，加載評(píng)估軟件。打開我的電腦，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說(shuō)明安裝和使用評(píng)估軟件。

功能框圖測(cè)試設(shè)置框圖見圖8，電路原理圖見EVAL-CN0198-SDPZ-SCH-RevX.pdf文件。此文件位于CN0198設(shè)計(jì)支持包中。

圖8. 測(cè)試設(shè)置框圖

設(shè)置

將EVAL-AD5755SDZ上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z上的CON A連接器。使用尼龍五金配件，通過(guò)120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。

在關(guān)斷電源的情況下，執(zhí)行下列操作：

將±15 V電源連接至EVAL-AD5755SDZ的J5端子板。

將15 V電源連接至ADP2300-EVALZ的輸入端。

將輸出引腳連接至EVAL-AD5755SDZ的J6連接器。

將±15 V電源連接至EVAL-AD5755SDZ的J5連接器。

SDP板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。注意：此時(shí)請(qǐng)勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。

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測(cè)試

為ADP2300-EVALZ和EVAL-AD5755SDZ電源供電。

通過(guò)USB電纜將PC連接到SDP板上的微型USB連接器，并啟動(dòng)評(píng)估軟件。

一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來(lái)發(fā)送和接收來(lái)自EVAL-AD5755SDZ的數(shù)據(jù)。

有關(guān)EVAL-SDP-CB1Z的信息，請(qǐng)參閱SDP用戶指南。

有關(guān)測(cè)試設(shè)置以及如何使用評(píng)估軟件來(lái)捕捉數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱CN-0198用戶指南。

圖9. EVAL-AD5755SDZ板的照片