ADII實(shí)驗室電路:16位工業(yè)、隔離電壓電流輸出的DAC

電路功能與優(yōu)勢

工業(yè)和儀器儀表系統，以及可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統（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(lèi)設計還需要與本地系統控制器隔離，以防形成接地環(huán)路，同時(shí)確保不受外部事件影響。傳統解決方案利用分立IC提供電源和數字隔離。當需要多通道隔離時(shí)，分立解決方案的成本和空間會(huì )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節，但需要額外的外部元件，因而會(huì )使電路板面積增大。電源模塊常常體積龐大，而且輸出調節可能不佳。圖1所示電路基于A(yíng)DuM347x系列隔離器（ADuM3470、ADuM3471、ADuM3472、ADuM3473、ADuM3474），集成了數字隔離、PWM控制的電源調節電路和相關(guān)的反饋隔離。使用外部變壓器將功率傳輸到隔離柵的另一端。16位DAC AD5422 提供電流和電壓輸出。

16位工業(yè)、隔離電壓電流輸出的DAC，同時(shí)提供隔離的DC-DC電源 （CN0233）

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(zhù)，采用15 V電源時(shí)，20 mA電流輸出可以驅動(dòng)大約600 Ω的負載。

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

iCoupler 芯片級變壓器技術(shù)用于隔離邏輯信號；集成的變壓器驅動(dòng)器帶隔離副邊控制功能，可以提高隔離式DC/DC轉換器的效率。內部振蕩器頻率可以在200 kHz至1 MHz范圍內調整，由ROC的值決定。當ROC = 100 kΩ時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率為500 kHz。

ADuM3471調節來(lái)自15 V正電源。調節反饋來(lái)自分壓器網(wǎng)絡(luò )（R1、R2、R3）。電阻根據以下要求選擇：當輸出電壓為15 V時(shí)，反饋電壓為1.25 V。反饋電壓與ADuM3471內部反饋設定點(diǎn)電壓1.25 V相比較。調節通過(guò)改變驅動(dòng)外部變壓器的PWM信號的占空比來(lái)實(shí)現。

負電源的調節不太嚴格，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?xún)?。對? kΩ以上的標稱(chēng)負載，較大未調節負電源電壓導致的額外功耗不是一個(gè)問(wèn)題。在要求較高順從電壓或極低功耗的應用中，應當考慮其它電源設計。

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(jìn)行測試。在工業(yè)溫度范圍內（?40°C至+85°C），該電路的總系統誤差小于0.1%。

AD5422內部集成一個(gè)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(gè)工業(yè)溫度范圍內，只會(huì )產(chǎn)生0.065%的額外誤差。

AD5422積分非線(xiàn)性（INL）在線(xiàn)性電源和隔離式DC/DC開(kāi)關(guān)電源兩種情況下進(jìn)行測試，確保系統精度不會(huì )因為開(kāi)關(guān)電源而有所損失。圖2顯示的是線(xiàn)性電源下的INL，圖3顯示的是開(kāi)關(guān)電源下的INL。與線(xiàn)性電源相比，使用開(kāi)關(guān)電源時(shí)性能沒(méi)有明顯損失。

圖2. ±10V輸出范圍時(shí)電路的實(shí)測INL：使用線(xiàn)性電源