Jednoduchý návrh oddělených I/O kanálů se softwarovou konfigurací. Na systémové úrovni a s vysokou mírou integrace

Článek představuje integrovaný obvod (IO) se softwarově konfigurovatelným vstupem/výstupem (I/O), včetně souvisejícího řešení pro oddělení napájení a dat, která pomáhají řešit otázky spojené s průmyslovými návrhy na systémové úrovni. Rovněž si vysvětlíme výhody, pokud jde o přístup na takovéto úrovni, resp. řešení s jediným IO, a zaměříme se také na funkce pro optimalizaci napájení.

Úvod

Při vývoji řešení s oddělenými I/O na systémové úrovni pro průmyslové aplikace, jako jsou řízení procesů, tovární automatizace nebo i systémy pro řízení budov, je zapotřebí zvážit řadu otázek dotýkajících se ztrátového výkonu, oddělení dat a také fyzického provedení. Na obr. 1 vidíme návrh, který bude v rámci systému s izolovaným, jednokanálovým SW konfigurovatelným I/O řešit napájení, oddělení a také otázku zastavěné plochy na základě obvodů AD74115H [1] a ADP1034 [2]. Díky kombinaci oddělení pro napájení a data s ADP1034 a SW konfigurovatelnosti na základě AD74115H lze proto izolovaný jednokanálový systém I/O vyřešit jen se dvěma IO a minimem vnějších součástek.

Řešení na systémové úrovni

Obvod ADP1034 je špičkovou jednotkou pro izolované řízení napájení zahrnující izolovaný regulátor Flyback, invertující snižující–zvyšující regulátor a také snižující regulátor, takže nakonec obdržíme tři oddělené hladiny napájení a k tomu sedm nízkopříkonových, číslicově řešených oddělovačů. ADP1034 má rovněž funkci PPC (programmable power control) k dostavení napětí VOUT1 prostřednictvím jednovodičového rozhraní. Pro napájecí hladinu AVDD obvodu AD74115H zde VOUT1 zajišťuje 6 až 28 V. Pro AVCC a DVCC to v případě VOUT2 zase znamená 5 V. Bude-li to zapotřebí, lze také zajistit napájení pro vnější referenci. Napájecí hladině AVSS obvodu AD74115H pak poplatně VOUT3 odpovídá napětí –5 až –24 V.

Výkonová ztráta a optimalizace

Při návrhu modulů se vzájemně izolovanými kanály se bude hlavní kompromis obvykle nacházet mezi výkonovou ztrátou a hustotou kanálů. Když se modul zmenšuje a hustota kanálů roste, musí se snižovat i ztrátový výkon vztažený na kanál, takže se přizpůsobíme maximální výkonové ztrátě, která je u modulu k dispozici. V našem případě je modul definován obvody ADP1034 a AD74115H, které společně nabízí oddělení pro napájení i data a také funkce SW konfigurovatelného I/O.

Optimální nízkopříkonové řešení však z obvodů AD74115H a ADP1034 činí funkce integrovaného PPC. V případě potřeby lze proto přizpůsobit napětí VOUT1 (napájecí napětí AVDD obvodu AD74115H). Minimalizuje se tím výkonová ztráta modulu při nízkém zatěžování, zejména pak u režimů s proudovým výstupem.

Pokud jde o funkci PPC, systémový host kontrolér odesílá požadovaný kód pro napětí prostřednictvím SPI do AD74115H, což se následně dostává k obvodu ADP1034 díky rozhraní OWSI (one-wire serial interface). Odolnost vůči interferencím (EMC), které lze v náročném průmyslovém prostředí očekávat, je zajištěna s CRC.

Uveďme si příklad výpočtu výkonové ztráty. Bude-li AVDD = 24 V a zátěž rovna 250 Ω, dostaneme u proudového výstupu 20 mA celkovou ztrátu na modulu 748 mW. Když ale použijeme PPC ke snížení napětí AVDD na 8,6 V (napětí na zátěži + rezerva), dostaneme se ke ztrátě ~348 mW, což u modulu představuje úsporu 400 mW.

Příklad výpočtu výkonové ztráty

V příkladu č. 1 a příkladu č. 2 je zvolen proudový výstup a buzení 20 mA. Zátěž je rovna 250 Ω, zatímco ADC je aktivní a převádí s výchozí konfigurací měření na 20 vzorcích za vteřinu.

Příklad č. 1 (bez PPC):

Příkon výstupní strany AD74115H = (AVDD = 24 V) × 20 mA = 480 mW

Vstupní příkon AD74115H = AD74115HQUIESCENT (206 mW) + příkon ADC (30 mW) + 480 mW = 716 mW

Vstupní příkon modulu = 716 mW + příkon ADP1034 (132 mW) = 848 mW

Výkon zátěže = (20 mA)2 × 250 Ω = 100 mW

Celkový příkon modulu = (vstupní příkon modulu – výkon zátěže) = 748 mW

V příkladu č. 2 uvidíme, že po aktivaci funkce PPC za účelem snížení AVDD na požadované napětí (20 mA × 250 Ω) + + rezerva 3,6 V = 8,6 V klesá výkonová ztráta modulu na 348 mW.

Příklad č. 2 (s aktivním PPC):

Příkon výstupní strany AD74115H = (AVDD = 8,6 V) × 20 mA = 172 mW

Vstupní příkon AD74115H = AD74115HQUIESCENT (136 mW) + příkon ADC (30 mW) + 172 mW = 338 mW

Vstupní příkon modulu = 338 mW + příkon ADP1034 (100 mW) = 448 mW

Výkon zátěže = (20 mA)2 × 250 Ω = 100 mW

Celkový příkon modulu = (vstupní příkon modulu – výkon zátěže) = 348 mW

Obr. 2 zachycuje měřenou výkonovou ztrátu na desce s AD74115H při teplotě +25 °C. Z měření vyplývá, že ztrátový výkon je pouze o něco málo menší než vypočítaná ztráta. To se může s každou součástkou nepatrně měnit.

Na obr. 3 zase vidíme výkonovou ztrátu modulu (ADP1034 a AD74115) s využitím PPC (optimalizované AVDD bylo nastaveno pro každou velikost zatěžovacího odporu) v závislosti na různých velikostech odporu zátěže. K VINP obvodu ADP1034 byla přivedena dvě různá napětí (15 V a 24 V), takže lze vypozorovat i účinnost zmíněného prvku. Měření se odehrávalo při teplotě +25 °C.

Obr. 4 konečně ukazuje ztrátový výkon s využitím PPC (optimalizované AVDD bylo nastaveno pro každou velikost zatěžovacího odporu) v závislosti na různém odporu zátěže, a to včetně teploty.

Řešení s digitálním výstupem

V průmyslových aplikacích je digitální výstup vnímán jako výkonově nejnáročnější. Obvod AD74115H podporuje interní a také externí řešení takového výstupu s možností zdroje i nory. ADP1034 zde může zajistit dostatečný výkon pro interní funkci digitálního výstupu se schopností dodávat, ale i odebírat nepřetržitě až 100 mA. V takovém případě je napájení obvodů digitálního výstupu DO_VDD zavedeno přímo na AVDD. U proudů vyšších než 100 mA však musíme použít funkci externího výstupu vyžadující dodatečné napájení přivedené k DO_VDD.

Interní řešení digitálního výstupu a timeouty

Abychom při prvním zapnutí umožnili nabití kapacitních zátěží, můžeme po definovatelnou dobu T1 povolit vyšší limit zkratového proudu (~280 mA), zatímco využijeme interního řešení digitálního výstupu. Když pak doba T1 vyprší, následuje druhé omezení zkratu (~140 mA). Jedná se o nižší proudové omezení, které bude dále aktivní po nastavitelnou dobu T2. Vzhledem k tomu, že jsou během těchto zkratových podmínek v systému očekávány větší proudy, musíme zajistit, aby neklesalo napětí ADP1034, VOUT1. Abychom se vyhnuli jakémukoli poklesu, je na pozici systémového napájecího napětí pro ADP1034 a žádané DO_VDD = 24 V doporučeno 24 V, což je v případě 24V relé obvyklé. Pokud zde ale máme co do činění s 12V relé, doporučuje se minimální systémové napětí (VINP ADP1034) 18 V, takže lze zajistit i dostatečný proud tekoucí do zátěže.

Na obr. 5 a obr. 6 vidíme DO_VDD ve vztahu k limitům zkratového proudu (T1 a T2) zajišťující stabilní vykrytí vyšších odběrů obvodem ADP1034.

Oddělení dat a velikost řešení

Díky patentované technologii iCoupler® firmy Analog Devices dokáže obvod ADP1034 integrovat tři oddělené úrovně napájení, včetně dat SPI a trojice izolovaných kanálů GPIO v pouzdru o velikosti 7 × 9 mm. S touto vysokou mírou integrace pak lze řešit i náročnější otázky související se zastavěnou plochou na desce, protože ke sloučení všech požadavků na izolaci kanálů postačuje malé místo na DPS. Zároveň to znamená i úsporu energie. Nejsou-li kanály využívány, nechává strana kontroléru obvodu ADP1034 vstoupit další oddělené kanály SPI do nízkopříkonového stavu, takže jsou aktivní pouze tehdy, bude-li to nutné. Tři izolované kanály GPIO slouží k oddělení pinů /RESET, /ALERT a /ADC_RDY obvodu AD74115H, takže zajistí veškeré požadavky na oddělení této součástky bez nutnosti zvyšovat náklady s dalším izolačním obvodem.

Závěr

Návrh malého a nízkopříkonového řešení se vzájemně oddělenými kanály I/O dokáže někdy potrápit i ty nejzkušenější vývojáře. Řešení s obvody ADP1034 a AD74115H na systémové úrovni vše zjednodušuje i díky vysoké míře integrace. S jediným IO pro zajištění trojice izolovaných napájecích hladin z jediného systémového zdroje a také vlastním oddělením pro data budou náklady na součástky rychle klesat. Ve spojení s flexibilními AD74115H pak lze uspokojit požadavky většiny průmyslových aplikací s I/O.

Odkazy:

[1] Obvody AD74115H, www.analog.com/en/products/ad74115h.html

[2] Obvody ADP1034, www.analog.com/en/products/adp1034.html