具有保護(hù)功能、適用于過(guò)程控制模擬輸出 的精密、穩(wěn)健解決方案

工業(yè)過(guò)程需要對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行精準(zhǔn)而穩(wěn)健的控制，以便管理流量、溫度和壓力等過(guò)程參數(shù)。精密模擬輸出模塊，即所謂可編程邏輯控制器(PLC)或分布式控制系統(tǒng)(DCS)，可產(chǎn)生用于控制此類(lèi)執(zhí)行器的電壓或電流輸出。這些模塊需要在惡劣的工業(yè)環(huán)境中提供穩(wěn)定、可靠、精確的輸出。

ADI公司的單通道16位I/V輸出DACAD5423和過(guò)壓保護(hù)SPST開(kāi)關(guān)ADG5401F的組合，符合此類(lèi)控制需求，能夠滿足模擬輸出模塊的要求。

精密

精密是AD5423的一個(gè)主要特性。在電壓輸出模式下，25°C時(shí)的TUE低至±0.01％（整個(gè)溫度范圍為±0.05％），典型輸出漂移為0.35 ppm FSR/°C。在電流輸出模式下，25°C時(shí)的TUE也是±0.01％，典型輸出漂移為2 ppm FSR/°C。所有輸出模式下的差分非線性(DNL)為±1 LSB，保證單調(diào)性。

精密開(kāi)關(guān)ADG5401F的導(dǎo)通電阻(RON)為6Ω，集成了輔助反饋通道，用于將通道IOUT/VOUT連接至AD5423的+VSENSE輸入，這樣就消除了任何與ADG5401F導(dǎo)通電阻變化相關(guān)的誤差。ADG5401F在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最大導(dǎo)通漏電流為40 nA。對(duì)于16位4 mA至20 mA電流輸出DAC，此漏電流不足1 LSB，輸出信號(hào)鏈的精度不受影響，動(dòng)態(tài)范圍可最大化。

穩(wěn)健

ADG5401F過(guò)壓保護(hù)SPST開(kāi)關(guān)用在AD5423 DAC的模擬輸出上，在通電和無(wú)電狀態(tài)下均能提供過(guò)壓保護(hù)。ADG5401F的源極(S)和源反饋(SFB)引腳可承受最高±60 V的過(guò)壓。

這將保護(hù)精密模擬輸出節(jié)點(diǎn)不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)掉電、接線錯(cuò)誤、電源時(shí)序等問(wèn)題而損壞。圖1詳細(xì)顯示了模擬輸出模塊中應(yīng)如何連接AD5423和ADG5401F。

圖1 AD5423和ADG5401F配置

ADG5401F電源設(shè)置過(guò)壓故障閾值，如果源極引腳（S或SFB）上的電壓超過(guò)ADG5401F電源電壓，則認(rèn)為發(fā)生故障，主開(kāi)關(guān)通道和輔助反饋通道將自動(dòng)斷開(kāi)。

當(dāng)開(kāi)關(guān)通道在故障期間斷開(kāi)時(shí)，任何大的故障電流都會(huì)被禁止流回DAC輸出和系統(tǒng)電源。在過(guò)壓事件期間沒(méi)有大的故障電流流動(dòng)，因此系統(tǒng)功耗不再受故障功耗約束，系統(tǒng)電源所需的設(shè)計(jì)工作量得以減少。ADG5401F允許系統(tǒng)移除輸出信號(hào)路徑中的限流電阻，該電阻在某些應(yīng)用中可能引起負(fù)載裕量問(wèn)題。

ADG5401F集成一個(gè)防開(kāi)環(huán)開(kāi)關(guān)。如果VOUT/IOUT節(jié)點(diǎn)遭受過(guò)壓信號(hào)，ADG5401F將啟動(dòng)過(guò)壓保護(hù)模式，主通道和輔助反饋通道開(kāi)關(guān)均會(huì)斷開(kāi)。與此同時(shí)，內(nèi)部防開(kāi)環(huán)開(kāi)關(guān)（D和DFB之間的內(nèi)部連接）將閉合。該防開(kāi)環(huán)開(kāi)關(guān)使DAC輸出反饋環(huán)路保持完整，并防止DAC將輸出鉗位到電源軌。

為實(shí)現(xiàn)高壓瞬變保護(hù)，例如IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4電快速瞬變脈沖群(EFT)和IEC 61000-4-5浪涌，應(yīng)使用分立電阻和瞬變電壓抑制(TVS)器件實(shí)施類(lèi)似圖2所示的電路。將電阻放在系統(tǒng)的反饋環(huán)路內(nèi)，使電阻不會(huì)給系統(tǒng)輸出增加任何誤差。

圖2 ADG5401F電路圖

表1 高壓瞬變保護(hù)

診斷

AD5423內(nèi)置一個(gè)12位內(nèi)部診斷ADC，可以提供關(guān)于用戶可選輸入（例如電源、地、內(nèi)部裸片溫度和基準(zhǔn)電壓源）的診斷信息。

片內(nèi)診斷寄存器包含用于指示各種故障情況的標(biāo)志，以及因?yàn)槿魏喂收隙|發(fā)的FAULT引腳。電壓輸出模式下會(huì)監(jiān)視短路檢測(cè)，電流輸出模式下會(huì)監(jiān)視開(kāi)路檢測(cè)。AD5423還提供循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)，可對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)；如果當(dāng)前數(shù)據(jù)包看起來(lái)不正確，則觸發(fā)FAULT引腳。它還提供溫度監(jiān)控功能，如果芯片溫度超過(guò)設(shè)定的限值，就會(huì)記錄故障。

圖3 AD5423功能框圖

結(jié)論

AD5423和ADG5401F相互配合，共同提供工業(yè)過(guò)程應(yīng)用所需的精密性和穩(wěn)健性。AD5423的16位I/V輸出可提供現(xiàn)代模擬輸出模塊所需的精確控制信號(hào)，而ADG5401F則能保持該精度，并在惡劣環(huán)境中提供強(qiáng)大的保護(hù)以防止外部影響造成系統(tǒng)失效或者精度降低。

作者簡(jiǎn)介

David Forde于2006年畢業(yè)于卡羅理工學(xué)院，獲集成電路設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)理學(xué)學(xué)士學(xué)位，畢業(yè)后即加盟ADI公司，任布局工程師。2011年，他畢業(yè)于利默里克大學(xué)，獲VLSI系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)工程碩士學(xué)位；2015年，他加盟儀器儀表與精密技術(shù)事業(yè)部，任應(yīng)用工程師，為模擬開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用產(chǎn)品系列提供支持。聯(lián)系方式：david.forde@analog.com。

Claire Croke于1999年加入ADI公司，目前在愛(ài)爾蘭精密開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器部門(mén)擔(dān)任營(yíng)銷(xiāo)工程師。Claire之前在ADI公司精密轉(zhuǎn)換器應(yīng)用團(tuán)隊(duì)工作。她畢業(yè)于愛(ài)爾蘭利默里克大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：claire.croke@analog.com。

Jean McAdam是ADI公司過(guò)程控制和自動(dòng)化戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理。在此之前，她負(fù)責(zé)ADI平臺(tái)客戶評(píng)估解決方案的營(yíng)銷(xiāo)活動(dòng)，并擔(dān)任軟件系統(tǒng)工程師兼軟件開(kāi)發(fā)人員。她畢業(yè)于利默里克大學(xué)，獲電子和計(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：jean.mcadam@analog.com。