用于動(dòng)態(tài)電源控制型DAC的高瞬態(tài)電流5 V穩(wěn)壓器(CN0198)

連接/參考器件

AD5755：16位、四通道、電壓輸出DAC，提供動(dòng)態(tài)電源控制

ADP2300：700 kHz異步降壓開關(guān)穩(wěn)壓器

評(píng)估和設(shè)計(jì)支持

電路評(píng)估板

AD5755評(píng)估板(EVAL-AD5755SDZ)

系統(tǒng)演示平臺(tái)(EVAL-SDP-CB1Z)

ADP2300評(píng)估板(ADP2300-EVALZ)

設(shè)計(jì)和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1中的電路可為基于數(shù)模轉(zhuǎn)換器的4 mA至20 mA輸出電路提供獨(dú)特的節(jié)能解決方案。為了能對(duì)10 Ω和1000 Ω之間的典型阻性負(fù)載提供足夠的裕量，傳統(tǒng)的4 mA至20 mA輸出驅(qū)動(dòng)器級(jí)必須至少能在20 V(加上一些額外裕量)的電壓下工作，以便提供足夠的電壓，驅(qū)動(dòng)高數(shù)值的阻性負(fù)載。然而，對(duì)于低數(shù)值的阻性負(fù)載，固定的高電源電壓值會(huì)導(dǎo)致極高的內(nèi)部功耗，不僅影響DAC精度，更需采用額外的散熱手段。

四通道、16位DAC AD5755集成4個(gè)獨(dú)立的高效內(nèi)部DC-DC轉(zhuǎn)換器，能夠根據(jù)4 mA至20 mA驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際輸出電壓檢測(cè)值，以動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)的升壓驅(qū)動(dòng)4個(gè)輸出級(jí)。無論負(fù)載電阻多大，升壓電路都可在輸出級(jí)保持?jǐn)?shù)伏的裕量;對(duì)于輸入10 Ω負(fù)載的24 mA輸出電流而言，可降低大約4倍的最大內(nèi)部功耗。

內(nèi)部DC-DC轉(zhuǎn)換器需要外部5 V電源供電，當(dāng)DAC以滿量程壓擺率輸出時(shí)，轉(zhuǎn)換器將消耗大量的功耗。基于ADP2300的高效率外部DC-DC轉(zhuǎn)換器電路采用15 V電源驅(qū)動(dòng)，并同樣提供15 V電壓輸出。ADP2300具有針對(duì)高達(dá)800 mA大電流階躍的出色瞬態(tài)響應(yīng)性能，可確保升壓轉(zhuǎn)換器的正常工作，而無需使用5 V獨(dú)立電源。

整個(gè)電路采用±15 V電源供電，允許DAC提供范圍涵蓋工業(yè)信號(hào)電平的最高±10 V電壓輸出以及4 mA至20 mA的電流輸出。本器件組合是一款低成本、高能效解決方案，最大程度減少了所需的外部器件數(shù)目，并保證各種負(fù)載條件下的16位性能。

圖1. 電源方案經(jīng)修改后的電流和電壓輸出型DAC(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦)

電路描述

本電路增強(qiáng)AD5755器件對(duì)壓擺率和動(dòng)態(tài)電源的控制特性，建立了更為完整和穩(wěn)定的DAC解決方案。利用ADP2300部署簡(jiǎn)易降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，本電路可提供壓擺AD5755的輸出所需的高于普通電流值的電源電流。

AD5755工作性能與任何將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬電流的標(biāo)準(zhǔn)DAC相似(例如，0 mA至20 mA、4 mA至24 mA或0 mA至24 mA)，或與任何將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓輸出的標(biāo)準(zhǔn)DAC相似(例如，0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V或±10 V)。AD5755采用AVSS擴(kuò)展至−26.4 V和AVDD擴(kuò)展至+33.0 V的電源供電。

功耗控制

在標(biāo)準(zhǔn)電流控制模塊或執(zhí)行器設(shè)計(jì)中，負(fù)載電阻值典型范圍為50 Ω至750 Ω，但也可低至10 Ω，或高達(dá)1 kΩ。在整個(gè)負(fù)載電阻值范圍內(nèi)，必須采用可提供足夠裕量的電源電壓，為4 mA至20 mA輸出驅(qū)動(dòng)器級(jí)供電。例如，當(dāng)驅(qū)動(dòng)24 mA至1 kΩ負(fù)載時(shí)，要求使用高于27 V的電源電壓，此時(shí)假定需要具有3 V的裕量。本例中由輸出驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的內(nèi)部封裝功耗為3 V × 24 mA = 72 mW。然而，當(dāng)使用同樣的27 V電源電壓驅(qū)動(dòng)10 Ω負(fù)載時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部功耗約為27 V × 24 mA = 648 mW。對(duì)于四通道DAC而言，這表示總功耗大于2.5 W。

AD5755電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)，并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)升壓電源電壓，使其滿足電源電壓要求的同時(shí)留有足夠的裕量。對(duì)于將24 mA輸出驅(qū)動(dòng)至10 Ω而言，7.4 V的升壓電壓產(chǎn)生的內(nèi)部功耗僅為7.4 V × 24 mA = 178 mW。這表示與不進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況相比，功耗降低了將近4倍。

通過4個(gè)工作在5 V輸入電壓下的獨(dú)立DC-DC轉(zhuǎn)換器，可單獨(dú)為所有4個(gè)DAC輸出產(chǎn)生升壓電源電壓。

DC-DC轉(zhuǎn)換器

AD5755集成4個(gè)獨(dú)立的板載DC-DC轉(zhuǎn)換器，為每個(gè)獨(dú)立通道提供針對(duì)VBOOST_X電源電壓的動(dòng)態(tài)控制。圖2所示為該DC-DC電路需要的分立式元件，以下各節(jié)將介紹該電路的工作原理。

圖2. DC-DC外部電路

建議在CDCDC之后放置一個(gè)10 Ω、100 nF低通RC濾波器。雖然該器件會(huì)消耗少量電能，但會(huì)減少VBOOST_X電源上的紋波。推薦的LDCDC、CDCDC和DDCDC器件值見表1。

表1. 用于DC-DC轉(zhuǎn)換器的分立元件