工业自动化集成 DAC 如何缩减减少模拟量输出模块设计空间

工业4.0已经彻底改变了制造业，改变了工厂的设计和实施方式。在工厂自动化和过程控制应用中，Industry 4.0的影响归结为两个基本概念：分散式系统和智能确定性系统的扩散。分散式系统固有地需要进行模块化设置，并具灵活性。高效、低功耗和热优化的设计是这些系统的关键推动因素。智能确定性系统是可以早期检测故障并提高可靠性的模块。

在工厂自动化和过程控制应用中，数模转换器（DAC）通常在用于可编程逻辑控制器（PLC）和传感器发射器的模拟输出中被发现。这两种情况下，DAC都可用于传送电压输出或电流输出。

DAC8775是TI最新的高精度DAC，通过包括4-20mA驱动器、电压输出和片上自适应电源管理在行业中最具集成性。在这篇博文中，我将提供与DAC8775相关的设计技术示例，并探索如何设计这个行业的当前趋势。

许多系统控制器由于传感器数量的增加而处理数百个输入/输出（I / O）点。这给设计人员提供了一个挑战，即将更多的I / O通道融入一个小型形状系数，增加了对热优化和高效率系统的需求。大多数模拟输出模块4-20mA驱动电路采用具有增益级的高侧电压 - 电流转换电路。图1所示为典型的架构。

由放大器A1建立的回路将DAC输出电压转换成电流。通过负反馈，放大器A1将RSET两侧的电压设置为等于DAC输出。RSET两侧的这个电压降将设定流过第一级IM的电流。（我假设IRSET等于IM的理想情况）。通过使用由放大器A2和RMIRROR鳄鱼RSENSE电阻对的组合建立的回路，产生的电流IM进一步被增益。放大器A2将强制RSENSE两侧的电压等于VMIRROR。通过与RMIRROR和RSENSE的比例成正比的因子，这产生了从IM增益的负载电流。如图1所示，RLOAD通常表示线性执行器负载，如同PLC系统的情况。由于目前通过RMIRROR不提供负载，这将直接降低系统的效率。良好的设计实践是将该电流最小化，将其设置为小于输出电流的1％。出于计算的目的，假设RMIRROR和RSENSE之间的高比率（> 1到100），我们忽略IM。

 

 

图1：高侧电压 - 电流转换器

 

在典型情况下，VPOS电压可以在12-36V之间变化。RLOAD也可以从短电阻到1kΩ变化。为了说明这一点，可以考虑我们的第一个示例，即VPOS等于36V，RLOAD等于1Ω的情况。当阀门设定为满量程时，控制器将通过负载驱动20mA。这意味着负载消耗的功率是PLOAD = I2R = 0.4mW。

所产生的总功率为Pgenerated = = 0.72W。从这个例子可以看出，电压 - 电流转换电路耗散剩余的功率：0.72W-0.4mW = 0.7196W。这是一个非常低效的系统，并将导致系统温度的不必要地增加。

考虑第二个示例，其中负载阻抗较高，为1kΩ。在这种情况下，PLOAD = I2R = 0.4W。所产生的总功率为Pgenerated = = 0.72W。电压 - 电流转换电路耗散其余功率：0.72W-0.4W = 0.32W。

您可以想象，如果存在大量的功率损耗，在这么小的空间中增加更多的通道将变得不可持续，这直接增加系统温度，降低可靠性并增加故障。我给出的示例显示单通道设计的功率损耗。在存在四个通道的情况下，第一个和第二个示例中的功率损耗分别接近2.8W和1.2W。

由于功率损耗随着更高通道数模块的使用而急剧增加，一种可能的解决方案是根据负载自适应地更改VPOS供应。您可以通过添加一个简单的反馈网络并使用降压/升压转换器为负载提供必要的电源来实现。这样的系统将如图2所示的框图。

 

 

图2：具有降压/升压转换器的高端电压 - 电流转换器

 

在这种设计技术中，降压/升压转换器将检测驱动负载的输出FET的漏极 - 源极电压，并产生内部成比例的误差电流。通过复杂的状态机算法，设备将决定降低或提升电源。该技术在四通道DAC8775中得以实现，从而实现更高的效率。

如果使用与第一个示例相同的值，当负载为1Ω时，降压/升压转换器会将DAC的电源降低，从而获得所需的最小电源。在DAC8775的情况下，将低至4.5V。

如在第一个示例中，PLOAD = I2R = 0.4mW。产生的总功率为Pgenerated = VI = 0.09W。电压 - 电流转换电路耗散其余功率：0.09W-0.4mW = 89.6mW。因此，与示例1相比，功耗提高了8倍。