在数字经济、新基建、“双碳”等多个因素的推动下，传统制造业已在奔向智能化的道路上步履不停。根据中国工业和信息化部等八部门联合印发的《“十四五”智能制造发展规划》，到2025年，70%的规模以上制造业企业基本实现数字化网络化，建成500个以上引领行业发展的智能制造示范工厂。

为了控制和监视工业及生产过程，需要在工厂自动化和工业自动化环境中部署更多的传感器和驱动器。然而在很多此类系统中，可用的空间尺寸总是有限的，因此在珍贵的空间内实现更低功耗和更多通道成了工程师的重要挑战。本文将就亚德诺半导体（ADI）公司提供的AD5758和 ADP1031 系统解决方案进行分享，它们解决了功耗和空间问题，支持实现更高水平的集成：即使在制造单通道功耗低于2 W的8通道模块时，该方案也可保持小尺寸。

小尺寸有大能量，高集成IC应对信号处理挑战

在用于工业过程控制应用的可编程逻辑控制器(PLC)中，包含了许多模拟和数字输出，模块化被广泛采用，并且在输入和输出(I/O)方面，它涵盖了模拟I/O和数字I/O的基本功能。由于必须在许多不同的负载条件下以高精度主动驱动设定值，因此有源驱动器级此时变得尤为重要，并且损耗应尽可能小。

隔离模拟输出系统框图

除了损耗问题，在过程自动化中，通常还需要在各个输出通道之间建立电气隔离，以及考虑基于通道的诊断或对 HART®信号的支持，鲁棒性和容错性也是必备条件。

应对以上挑战，有一款工业数模转换器(DAC)可一一满足要求。ADI提供的AD5758 是一款单通道16位电压和电流输出数模转换器，满足低功耗要求。AD5758 在 5 mm × 5 mm 封装尺寸内集成了 DAC 和驱动器的基本功能，以及众多其他模拟和逻辑功能，例如用于诊断的ADC、智能电源管理、基准电压源、可防止反向和过压的故障开关、数据校准寄存器以及SPI通信接口。并且在自动化领域所有常见的输出范围：单极性0 V至10 V/0 mA至20 mA、双极性±10 V/±20 mA 以及所有子范围（例如用于过程自动化的4 mA至20 mA），AD5758 都提供支持，并有20%的超量程范围。

AD5758的功能框图

AD5758具有自适应负载调整或动态功率控制(DPC)功能——这使得其特别适合温度和空间受限的应用。DPC在电流输出模式下激活，并控制驱动特定负载所需的驱动器级上的电压。根据工作条件，电流输出的负载电压 (I × RLOAD) 仅占电源电压的一小部分。电源电压差必须事先以功率损耗的形式通过串联晶体管加以耗散。DPC现在将驱动器电压调节到比实际所需的负载电压（为输出晶体管保留裕量）高几伏特，从而将损耗降至最低。只有利用开关稳压器才能以这种方式进行电压的有效调节，即使在开关稳压器和上游电源中出现额外的损耗，总体功率损耗的降低仍然非常明显，尤其对于小负载电阻更是如此，这首先使小尺寸设计成为可能，而且电路板也能保持良好的散热。

输出电流I = 20 mA 且固定电源电压为24 V时的理论损耗（不考虑DC-DC的内部功耗和效率）

隔离式输出模块如何开发？微功耗管理单元打配合

在电源电压方面，AD5758需满足不同要求：除了（工作模式取决于单极性或双极性）驱动器电源之外，AD5758输出IC还需要一个3.3 V 的逻辑电压为内部模块供电；出于安全考虑，PLC总线与I/O模块之间始终保持电气隔离。高性能隔离式微功耗管理单元(microPMU)ADP1031提供三个隔离式供电轨，并内置四个高速串行外设接口(SPI)隔离通道和三个通用隔离器，可与AD5758搭配工作，能够在更小的空间需求和功率损耗下实现隔离式输出模块的开发。

AD5758和ADP1031 EMC测试板照片

在电源管理单元的设计过程中，ADI公司特别加强了电磁兼容性(EMC)和鲁棒性。例如，输出电压相移，且反激式控制器的压摆率可调。同时还为所有三个电压添加了软启动、过压保护和电流限制功能，以实现良好的测量。上图为采用ADP1031与AD5758的模拟输出设计解决方案，该方案是一个单通道、隔离式工业电压和电流输出模块，经过EMC测试，适用于工业过程控制和动态功率控制。IEC 61000-4-x系列标准也适用于系统层面评估电气电子设备的抗扰度。

对于多通道的应用，AD5758和ADP1031也适应良好。ADP1031集成了具有额外GPIO的隔离SPI数据接口，该接口基于成熟的 iCoupler® 技术，可传输工作所需的所有控制信号。因此实现了高速数据路径（四个通道）和较低速率的GPIO控制路径（三个复用通道）之间的区分。潜在的应用是通过共同的控制信号同步激活多通道模块或多个模块中的输出，回读错误标志或触发安全关断。

在AD5758、ADP1031两者的组合下，可提供隔离式模拟输出的完整功能，仅需两个芯片。尺寸约为13 mm × 25 mm，通道空间要求更小，仅为目前解决方案的一半。关键功能的集成还使布局更简洁、电位便于分离并且硬件成本显著降低，即使只使用一块六层板，也可进行8通道演示设计。

小尺寸（77 mm × 86 mm）隔离式8通道AO模块

小结

智能工业的建设日益加速，ADI提供的AD5758和ADP1031组合方案通过功率损耗优化，使模块更小且每个模块具有更多通道；在无需降额的情况下允许更高的环境温度，减少了工程师的硬件工作量，可有效降低成本，并适应多种工业应用场景。AD5758和ADP1031系统级解决方案支持实现可靠、紧凑的8通道（通道间隔离）模拟输出模块，在最坏的功耗条件下，所有8个通道都能实现出色的低功耗（低于2 W）。