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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

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发表于 2020-4-21 11:27 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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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。


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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。

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图1:高侧电压 - 电流转换器


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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。

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图2:具有降压/升压转换器的高端电压 - 电流转换器


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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。


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该用户从未签到

2#
发表于 2020-4-21 13:36 | 只看该作者
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
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