Szoftverrel konfigurálható, izolált I/O csatornák tervezésének megkönnyítése

Magasan integrált, rendszerszintű megközelítés

A cikk egy szoftveresen konfigurálható bemeneti/kimeneti (I/O) eszközt mutat be és a hozzá tartozó izolált tápellátási és adatmegoldást, amely segít kezelni a tervezési kihívásokat a rendszerszintű ipari alkalmazások esetén. Ismerteti a rendszerszintű gondolkodás előnyeit, majd javasolt megoldásával – egyetlen IC tervezésével – a teljesítményoptimalizálás funkcióira összpontosít.

Amikor rendszerszintű, izolált I/O megoldásokat tervezünk ipari alkalmazásokhoz, mint például a folyamatirányítás, a gyártásautomatizálás vagy az épületirányítási rendszerek, számos tényezőt kell figyelembe venni. Ezek közé tartozik a teljesítmény­disszipáció, az adatok elkülönítése és az alaktényező. Az 1. ábra azt a rendszermegoldást mutatja, amely az AD74115H és az ADP1034 segítségével megoldja a tápellátási, leválasztási és elrendezési kihívásokat egy elszigetelt, egycsatornás szoftverrel konfigurálható I/O megoldásban. Az ADP1034 tápellátás- és adatleválasztásának, valamint az AD74115H szoftveres konfigurálhatóságának kombinálásával egy izolált egycsatornás I/O rendszer tervezhető mindössze két integrált áramkör és minimális számú külső áramkör használatával.

Rendszerszintű megoldás

Az ADP1034 egy nagy teljesítményű, izolált energiagazdálkodási egység, amely egy izolált flyback szabályozót, egy invertáló buck boost szabályozót és egy – három izolált teljesítménysínt biztosító és hét kis teljesítményű digitális izolátort integráló – buck szabályozót egyesít. Az ADP1034 programozható teljesítményszabályozási (PPC) funkcióval is rendelkezik, amely a V_OUT1 feszültségének igény szerinti beállítására szolgál egy egyvezetékes interfészen keresztül. A V_OUT1 6 és 28 V közötti feszültséggel látja el az AD74115H AV_DD tápsínt. A V_OUT2 5 V-ot ad az AD74115H AV_CC és DV_CC tápsínekhez. Szükség esetén tápfeszültséget szolgáltathat egy külső referencia számára is. A V_OUT3 –5 és –24 V közötti feszültséggel látja el az AD74115H AV_SS tápsínt.

Teljesítménydisszipáció és optimalizálás

Csatornák közötti izolált modulok tervezésekor a leglényegesebb kompromisszum általában a teljesítménydisszipáció és a csatornasűrűség között van. A modulméretek csökkenésével és a csatornasűrűség növekedésével a csatornánkénti teljesítmény­disszipációnak csökkennie kell, hogy megfeleljen a modul maximális teljesítménydisszipációjának. Ebben az esetben a modul az ADP1034 és az AD74115H, amelyek együttesen izolált tápellátást, adatszigetelést és szoftveresen konfigurálható I/O funkciókat biztosítanak.
Ami az AD74115H-t és az ADP1034-et optimális alacsony fogyasztású megoldássá teszi, az az integrált PPC-funkciók bevezetése. A PPC lehetővé teszi a felhasználó számára a V_OUT1 feszültség (AD74115H AV_DD tápfeszültség) igény szerinti beállítását. Ez a módszer minimálisra csökkenti a teljesítménydisszipációt a modulban alacsony terhelés mellett, különösen áramkimeneti módok esetén.
A PPC funkció használatakor a rendszerben lévő gazdavezérlő SPI-n keresztül elküldi a szükséges feszültségkódot az AD74115H-nak, amelyet azután egy egyvezetékes soros interfészen (one-wire serial interface – OWSI) keresztül továbbít az ADP1034-nek. Az OWSI CRC-vel rendelkezik (Cyclic Redundancy Check), hogy robusztusságot biztosítson a zord ipari környezetben előforduló EMC-interferenciákkal szemben.
Ha megnézzük a példa alapján a teljesítménydisszipáció számítását, akkor láthatjuk, hogy ha AV_DD = 24 V és a terhelés 250 Ω, akkor 20 mA áramkimenet esetén összesen 748 mW disszipálódik a modulban. Amikor PPC-vel leengedjük az AV_DD feszültséget 8,6 V-ra (terhelési feszültség + kivezérlési tartalék), akkor ~348 mW disszipálódik a modulban. Ez 400 mW energia­megtakarítást jelent a modulon belül.

Példa teljesítménydisszipáció számítására

Az 1. és 2. példában az áramkimeneti felhasználási eset látható 20 mA-es kimenetet vezérelve. A terhelés 250 Ω, az ADC pedig engedélyezett, és az alapértelmezett mérési konfigurációt másodpercenként 20 mintavételezéssel alakítja át.

1. ábra Az ADP1034 és AD74115H kapcsolási rajza

1. példa (nincs PPC):
AD74115H kimeneti teljesítmény = (AV_DD=24 V) × 20 mA = 480 mW
AD74115H bemeneti teljesítmény = AD74115_HQUIESCENT (206 mW) + ADC teljesítmény (30 mW) + 480 mW = 716 mW
Modul bemeneti teljesítménye = 716 mW + ADP1034 teljesítmény (132 mW) = 848 mW
Terhelési teljesítmény = 20 mA² × 250 Ω = 100 mW
Modul teljes teljesítménye = (Modul bemeneti teljesítménye – terhelési teljesítménye) = 748 mW
A 2. példában láthatjuk, hogy amikor a PPC funkció engedélyezve van, az AV_DD a szükséges feszültségre (20 mA × 250 Ω) +
3,6 V kivezérlési tartalék = 8,6 V, akkor a modulban disszipált teljesítmény 348 mW-ra csökken.
2. példa (PPC engedélyezve):
AD74115H kimeneti teljesítmény = (AV_DD = 8,6 V) × 20 mA = 172 mW
AD74115H bemeneti teljesítmény = AD74115_HQUIESCENT (136 mW) + ADC teljesítmény (30 mW) + 172 mW = 338 mW
Modul bemeneti teljesítménye = 338 mW + ADP1034 teljesítmény (100 mW) = 448 mW
Terhelési teljesítmény = 20 mA² × 250 Ω = 100 mW
Modul teljes teljesítménye = (Modul bemeneti teljesítménye – terhelés teljesítménye) = 348 mW

A 2. ábra az AD74115H fejlesztőkártyán 25 °C-on disszipált, mért teljesítményt mutatja. A mérés azt mutatja, hogy a disszipált teljesítmény valamivel alacsonyabb, mint a számított teljesítmény­disszipáció. Ez készülékenként kissé eltérhet.

2. ábra Mérési adatok 20 mA 250 Ω terhelésre, AV_DD = 24 V, AV_DD = 8,6 V (PPC használatával)

 
A 3. ábra a modul (ADP1034 és AD74115) teljesítmény­disszipációját mutatja a PPC használatával (minden terhelési ellenállás értékre az optimalizált AV_DD-t programozták) a különböző terhelési ellenállásértékek függvényében. Az ADP1034 V_INP-jére két különböző feszültséget (15 V és 24 V) kapcsoltak az ADP1034 hatékonyságának bemutatására. A méréseket 25 °C-on végezték.

3. ábra Teljesítménydisszipáció vs. R_LOAD 20 mA kimeneten

 
A 4. ábra a teljesítménydisszipációt mutatja a PPC használatával (minden terhelési ellenállás értékre az optimalizált AV_DD-t programozták) a különböző terhelési ellenállások hőmérséklet feletti értékeivel szemben.

4. ábra Teljesítménydisszipáció vs. hőmérséklet

 1. táblázat Az AD74115H tipikus felhasználása – teljesítménydisszipáció PPC használatával

A digitális kimenet felhasználási esete

Az ipari alkalmazásokban a digitális kimenet a leginkább energiaigényes felhasználási forma. Az AD74115H támogatja a belső és külső forrás- és nyelő digitális kimenetet. Az ADP1034 elegendő energiát tud szolgáltatni a belső digitális kimeneti funkcióhoz, amely akár 100 mA folyamatos áramot is képes kibocsátani vagy elnyelni. Ebben az esetben a DO_V_DD digitális kimeneti áramkör tápellátása közvetlenül csatlakozik az AV_DD-hez. 100 mA-nél nagyobb áramerősségnél a külső digitáliskimenet-funkciót kell használni, amihez a DO_V_DD-hez csatlakoztatott kiegészítő tápegység szükséges.

Belső digitális kimenet felhasználási esete – időtúllépések

A kapacitív terhelések kezdeti bekapcsoláskor történő feltöltésének támogatása érdekében magasabb rövidzárlati áramkorlát (~280 mA) engedélyezhető egy programozható időtartamra, T1-re, miközben a belső digitális kimenetet használjuk. A második rövidzárlati határérték (~140 mA) a T1 idő letelte után lép működésbe. Ez egy alsó áramkorlát, és egy programozható ideig aktív T2. Mivel ezen rövidzárlati körülmények között több áramot igényel a rendszer, ügyelni kell arra, hogy az ADP1034 V_OUT1 feszültsége ne csökkenjen. A csökkenés elkerülése érdekében 24 V-os feszültség javasolt az ADP1034 rendszer tápfeszültségeként a 24 V-os DO_V_DD-hez. Ez a tipikusan szükséges feszültség egy 24 V-os reléhez. 12 V-os relé esetén legalább 18 V-os rendszertápfeszültség (ADP1034 V_INP) ajánlott, hogy elegendő áramot lehessen biztosítani a terhelésnek.
Az 5. és 6. ábrán a DO_V_DD versus T1 és T2 rövidzárlati határértékei láthatók, bizonyítva a nagy áramforrás stabilitását az ADP1034-gyel.

5. ábra Rendszertápfeszültség = 24 V, DO_V_DD feszültség = 24 V

6. ábra Rendszertápfeszültség = 24 V, DO_V_DD feszültség = 12 V

Adatizoláció és a megoldás mérete

Az Analog Devices szabadalmaztatott iCoupler^® technológiájával az ADP1034 három elkülönített tápsínt, köztük SPI adatokat és három GPIO leválasztó csatornát integrál egy 7 mm × 9 mm-es tokban. Ez a magas szintű integráció segít megoldani a PCB méretekkel kapcsolatos kihívásokat, mivel az összes csatorna izolációs követelményét a PCB egy kis területére tömöríti, emellett energiamegtakarítás is megvalósul. Az ADP1034 vezérlőoldala alacsony fogyasztású állapotba helyezi a többi SPI-izolációs csatornát, amikor a csatornák nincsenek használatban. Ez azt jelenti, hogy a csatornák csak akkor aktívak, ha szükséges. A három elkülönített GPIO csatorna az AD74115H „RESET”, „ALERT” és „ADC_RDY” érintkezőinek elszigetelésére szolgál, így biztosítva az AD74115H összes izolációs követelményét, egy másik leválasztó IC további költségei nélkül.

Következtetés

Kis teljesítményű, kis méretű csatornák közötti izolált I/O megoldás tervezése kihívást jelenthet az iparág legtapasztaltabb tervezői számára is. Az ADP1034 és AD74115H megoldása leegyszerűsíti a kihívást a magas szintű integráció és a rendszerszintű tervezési megközelítés révén. Egyetlen IC három elkülönített tápsínt biztosít egyetlen rendszerellátásról, integrált adatleválasztással, és a BOM-költség jelentős csökkentésével. Az AD74115H rugalmasságával párosulva a rendszertervezés a legtöbb I/O ipari alkalmazási igényt kielégít.

A szerzőről

Valerie Hamilton jelenleg termékalkalmazási mérnökként dolgozik az Analog Devices-nél, Írországban. 2014 júliusában csatlakozott az ADI-hoz a Galway Mayo Institute of Technology diplomás mérnökeként. Valerie elsősorban az ipari I/O termékekre összpontosít, beleértve a szoftveresen konfigurálható I/O-kat és a digitális-analóg átalakítókat.

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

Szerző: Valerie Hamilton – Alkalmazástechnikai mérnök, Analog Devices

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com