O abordare la nivel de sistem, înalt integrată, pentru simplificarea proiectării canalelor I/O izolate, configurabile prin software

Introducere

Atunci când se proiectează soluții de I/O izolate la nivel de sistem pentru aplicații industriale, cum ar fi controlul proceselor, automatizarea fabricilor sau sistemele de control al clădirilor, există multe aspecte de luat în considerare. Printre acestea se numără disiparea de putere, izolarea datelor și factorul de formă. Figura 1 prezintă soluția de sistem care rezolvă provocările legate de putere, izolare și spațiu folosind AD74115H și ADP1034 într-o soluție I/O izolată cu un singur canal, configurabilă prin software. Combinând caracteristicile de izolare a alimentării și a datelor oferite de ADP1034 și configurabilitatea prin software asigurată de AD74115H, se poate proiecta un sistem I/O izolat cu un singur canal, folosind doar două circuite integrate și un minim de circuite externe.

Soluție la nivel de sistem

ADP1034 este o unitate pentru managementul puterii de înaltă performanță, izolată, care combină un regulator flyback izolat, un regulator boost buck invertor și un regulator buck care oferă trei linii de alimentare izolate și integrează șapte izolatoare digitale de joasă putere. ADP1034 are, de asemenea, o funcție de control programabil al alimentării (PPC – Programmable Power Control) care este utilizată pentru ajustarea la cerere a tensiunii de pe V_OUT1 prin intermediul unei interfețe cu un singur fir. V_OUT1 furnizează între 6V și 28V la linia de alimentare AV_DD a AD74115H. V_OUT2 furnizează 5V la liniile de alimentare AV_CC și DV_CC ale AD74115H. De asemenea, poate furniza o tensiune de alimentare pentru o referință externă, dacă este necesar. V_OUT3 furnizează între -5V și -24V la linia de alimentare AV_SS a AD74115H.

Disiparea și optimizarea puterii

Atunci când se proiectează module izolate canal-canal, principalul compromis este, de obicei, între disiparea de putere și densitatea canalelor. Pe măsură ce dimensiunile modulelor se micșorează și densitatea canalelor crește, puterea disipată pe canal trebuie să scadă pentru a se adapta la bugetul maxim de putere disipată pentru modul. În acest caz, modulul este format din ADP1034 și AD74115H, care, atunci când sunt combinate, oferă putere izolată, izolare a datelor și funcții de I/O configurabile prin software.

Ceea ce face ca AD74115H și ADP1034 să fie o soluție optimă cu consum redus de putere este integrarea funcționalității PPC. Aceasta oferă utilizatorului posibilitatea de a ajusta la cerere tensiunea V _OUT1 (tensiunea de alimentare AV_DD a AD74115H). Metoda minimizează disiparea de putere la nivelul modulului în condiții de sarcină redusă, în special în modurile de ieșire în curent.

Atunci când se utilizează funcționalitatea PPC, controlerul gazdă din sistem trimite codul de tensiune necesar prin SPI către AD74115H, care este apoi transmis către ADP1034 prin intermediul unei interfețe seriale cu un singur fir (OWSI – One-Wire Serial Interface). OWSI are implementare CRC (Cyclic Redundancy Check – Control Redundant Ciclic) pentru a asigura robustețea împotriva interferențelor EMC care pot fi prezente în mediile industriale dure.

Figura 1: O schemă de circuit cu ADP1034 și AD74115H. (© ADI)

Dacă ne uităm la exemplul de calcul al disipării de putere, putem vedea că, dacă AV_DD = 24V și sarcina este de 250Ω, pentru o ieșire în curent de 20mA, totalul puterii disipate în modul va fi de 748mW. Atunci când folosim PPC pentru a scădea tensiunea AV_DD la 8,6V (tensiunea de sarcină + marja de manevră), puterea disipată în modul va fi de ~348 mW. Acest lucru relevă o economie de putere de 400mW la nivelul modulului.

Exemplu de calcul al puterii disipate

În Exemplul 1 și Exemplul 2, este selectat cazul de utilizare a unei ieșiri în curent care comandă o ieșire de 20 mA. Sarcina este de 250 Ω, iar ADC-ul este activat și convertește configurația de măsurare implicită la 20 de eșantioane pe secundă.

Figura 2: Date de măsurare 20 mA în sarcină de 250 Ω, AVDD = 24V, AVDD = 8,6V (PPC utilizat). (© ADI)

Exemplul 1 (fără PPC):

Puterea de ieșire a AD74115H = (AV_DD = 24 V) × 20 mA = 480 mW
Puterea de intrare a AD74115H = AD74115 H_QUIESCENT (206 mW) + Puterea ADC (30 mW) + 480 mW = 716 mW
Puterea de intrare a modulului = 716 mW + Puterea ADP1034 (132 mW) = 848 mW
Puterea consumată de sarcină = 20 m A2 × 250 Ω = 100 mW
Puterea totală a modulului = (Puterea de intrare a modulului – Puterea consumată de sarcină) = 748 mW

În exemplul 2, putem vedea că atunci când funcția PPC este activată pentru a reduce AV_DD la tensiunea necesară (20 mA × 250 Ω) + 3,6 V marjă de manevră = 8,6 V, atunci puterea disipată în modul scade la 348 mW.

Figura 3: Puterea disipată în raport cu RLOAD la o ieșire de 20 mA. (© ADI)

Exemplul 2 (PPC activat):

Puterea de ieșire a AD74115H = (AV_DD = 8,6 V) × 20 mA = 172 mW
Puterea de intrare a AD74115H = AD74115 H_QUIESCENT (136 mW) + Puterea ADC (30 mW) + 172 mW = 338 mW
Puterea de intrare a modulului = 338 mW + Puterea ADP1034 (100 mW) = 448 mW
Puterea consumată de sarcină = 20 m A2 × 250 Ω = 100 mW
Puterea totală a modulului = (Puterea de intrare a modulului – Puterea consumată de sarcină) = 348 mW

Figura 2 prezintă puterea disipată măsurată pe placa de aplicație AD74115H, la 25°C. Măsurătorile arată că puterea disipată este cu puțin mai mică decât puterea disipată calculată. Acest lucru va avea ușoare variații de la un dispozitiv la altul.

Figura 4: Puterea disipată în raport cu temperatura. (© ADI)

Figura 3 prezintă disiparea de putere a modulului (ADP1034 și AD74115) utilizând PPC (s-a programat o tensiune AV_DD optimizată pentru fiecare valoare a rezistenței de sarcină) în funcție de diferite valori ale rezistenței de sarcină. Pentru a arăta eficiența dispozitivului ADP1034, au fost aplicate două tensiuni diferite (15V și 24V) la pinul V_INP al acestuia. Măsurătorile au fost efectuate la 25°C.

Figura 4 prezintă disiparea de putere utilizând PPC (s-a programat o tensiune AV_DD optimizată pentru fiecare valoare a rezistenței de sarcină) în funcție de diferite valori ale rezistenței de sarcină în raport cu temperatura.

Tabelul 1: Disiparea de putere în cazul tipic de utilizare AD74115H, folosind PPC

Caz de utilizare pentru ieșire digitală

În aplicațiile industriale, ieșirea digitală este recunoscută ca fiind cel mai solicitant caz de utilizare a puterii. AD74115H suportă ieșire digitală internă și externă de tip sursă (sourcing) și absorbție (sinking). ADP1034 poate furniza suficientă putere pentru funcția de ieșire digitală internă, capabilă să furnizeze sau să consume până la 100 mA curent continuu. În acest caz, alimentarea circuitului cu ieșire digitală DO_V_DD este conectată direct la AV_DD. Pentru curenți mai mari de 100 mA, trebuie utilizată funcția de ieșire digitală externă, care necesită o sursă de alimentare suplimentară conectată la DO_V_DD.

Timpi de așteptare în cazul de utilizare al unei ieșiri digitale interne

Figura 5: Alimentarea sistemului = 24V, tensiunea DO_VDD = 24V. (© ADI)

Pentru a susține încărcarea sarcinilor capacitive la pornirea inițială, se poate activa o limită de curent de scurtcircuit mai mare (~280 mA) pentru o perioadă de timp programabilă, T1, în timp ce se utilizează cazul de utilizare a ieșirii digitale interne. O a doua limită de curent de scurtcircuit (~140 mA) este implementată odată ce timpul T1 s-a scurs. Aceasta este o limită de curent inferioară și este activă pentru o durată de timp programabilă, T2. Deoarece se solicită mai mult curent de la sistem în timpul acestor condiții de scurtcircuit, trebuie să se aibă grijă să se asigure că tensiunea V_OUT1 a ADP1034 nu scade. Pentru a se asigura că nu există nicio scădere, se recomandă o tensiune de 24V ca tensiune de alimentare a sistemului către ADP1034 pentru o tensiune DO_V_DD necesară de 24V.

Figura 6: Alimentarea sistemului = 24V, tensiunea DO_VDD = 12V. (© ADI)

Aceasta este o tensiune tipică necesară pentru un releu de 24V. În cazul unui releu de 12V, se recomandă o tensiune minimă de alimentare a sistemului (ADP1034 V_INP) de 18V pentru a se asigura că se poate furniza un curent suficient pentru sarcină.

Izolarea datelor și dimensiunea soluției

Folosind tehnologia iCoupler^® patentată de Analog Devices, ADP1034 integrează trei linii de alimentare izolate, inclusiv date SPI și trei canale de izolare GPIO într-o capsulă de 7 mm × 9 mm. Acest nivel ridicat de integrare ajută la rezolvarea provocărilor legate de spațiul ocupat pe PCB, deoarece consolidează toate cerințele de izolare a canalelor într-o zonă mică de pe PCB. De asemenea, se realizează economii de putere. Partea controlerului de pe ADP1034 pune celelalte canale de izolare SPI într-o stare de consum redus de putere atunci când canalele nu sunt utilizate. Prin urmare, canalele sunt active doar atunci când este necesar. Cele trei canale GPIO izolate sunt utilizate pentru a izola pinii ,  și  ai AD74115H, asigurând astfel toate cerințele de izolare ale AD74115H fără costul suplimentar al unui circuit integrat izolator suplimentar.

Concluzie

Proiectarea unei soluții de I/O izolate canal-canal, cu consum redus de putere și cu factor de formă mic, poate fi o provocare pentru unii dintre cei mai experimentați proiectanți din industrie. Soluția la nivel de sistem ADP1034 și AD74115H simplifică provocarea prin nivelul ridicat de integrare și printr-o abordare de proiectare la nivel de sistem. Cu un singur circuit integrat care asigură trei linii de alimentare izolate de la o singură sursă de alimentare a sistemului și o izolare integrată a datelor, costul BOM se reduce semnificativ. Împreună cu flexibilitatea lui AD74115H, proiectarea sistemului va satisface majoritatea aplicațiilor industriale de I/O.

Autor: Valerie Hamilton, Inginer de aplicații, Analog Devices

Despre autor
Valerie Hamilton lucrează în prezent ca inginer de aplicații de produs la Analog Devices, Irlanda. Ea s-a alăturat ADI în iulie 2014 ca inginer, după absolvirea Institutului de Tehnologie Galway Mayo. Valerie se ocupă în principal de produsele industriale I/O, inclusiv de I/O configurabile prin software și de convertoarele digital-analogice.

Analog Devices

Vizitați https://ez.analog.com