Beispielberechnung für die Verlustleistung

Bild 3. Verlustleistung in Abhängigkeit des Lastwiderstands RLOAD bei einem Ausgangsstrom von 20 mA.

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In den Beispielen 1 und 2 ist der Stromausgang selektiert und gibt 20 mA aus. Die Last beträgt 250 Ω, der A/D-Umsetzer ist in seiner Grundkonfiguration aktiviert und wandelt mit 20 Sample/s.

Beispiel 1 (Ohne PPC):

Ausgangsleistung des AD74115H = (AUDD = 24V) × 20 mA = 480 mW

Eingangsleistung des AD74115H = Ruhestrom des AD74115H (206 mW) + Leistungsaufnahme des A/D-Umsetzers (30 mW) + 480mW = 716 mW

Eingangsleistung des Moduls = 716 mW + Leistungsaufnahme des ADP1034 (132 mW) = 848 mW

Leistungsaufnahme der Last = (20 mA)² × 250 Ω = 100 mW

Gesamte Leistungsaufnahme des Moduls = Eingangsleistung des Moduls – Leistungsaufnahme der Last = 748 mW

Aus Beispiel 2 geht hervor, dass die Verlustleistung des Moduls auf 348 mW sinkt, wenn die PPC-Funktion aktiviert ist, um AUDD auf die erforderliche Spannung von (20 mA × 250 Ω) + 3,6 V Reserve = 8,6 V zu bringen.

Beispiel 2 (PPC aktiviert):

Ausgangsleistung des AD74115H = (AUDD = 8,6 V) × 20 mA = 172 mW

Eingangsleistung des AD74115H = Ruhestrom des AD74115H (136 mW) + Leistungsaufnahme des A/D-Umsetzers (30 mW) + 172 mW = 338 mW

Eingangsleistung des Moduls = 338 mW + Leistungsaufnahme des ADP1034 (100 mW) = 438mW

Leistungsaufnahme der Last = (20 mA)² × 250 Ω = 100 mW

Gesamte Leistungsaufnahme des Moduls = Eingangsleistung des Moduls – Leistungsaufnahme der Last = 338mW

Tabelle 1. Typische Anwendungsfälle für das E/A-Bauteil AD74115H und entsprechende Verlustleistung mit PPC.

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Bild 2 veranschaulicht die gemessene Verlustleistung auf dem Board mit dem AD74115H bei 25 °C. Die Messung zeigt, dass die Verlustleistung geringfügig niedriger ist als die berechnete Verlustleistung. Dies wird von Bauteil zu Bauteil leicht variieren.

Bild 3 zeigt den Verlauf der Verlustleistung des Moduls (ADP1034 und AD74115) mit PPC (optimierte AUDD wurde für jeden Lastwiderstandswert programmiert) über den Lastwiderstand. An den Anschluss UINP des ADP1034 wurden zwei verschiedene Spannungen angelegt (15 und 24 V), um die Effizienz des ADP1034 zu zeigen. Die Messungen erfolgten bei 25 °C.

Bild 4 zeigt die Verlustleistung mit PPC (optimierte AUDD wurde für jeden Lastwiderstandswert programmiert) in Abhängigkeit des Lastwiderstands bei unterschiedlichen Temperaturen.

Anwendungsfall Digitalausgang

Bild 4. Verlustleistung in Abhängigkeit des Lastwiderstands RLOAD bei unterschiedlichen Temperaturen.

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In industriellen Anwendungen gilt der Digitalausgang als der Anwendungsfall mit der höchsten Leistungsaufnahme. Das E/A-Bauteil AD74115H unterstützt interne und externe Quellen- (Sourcing-) und Senken- (Sinking-) Digitalausgänge. Die Powermanagement-Einheit ADP1034 kann genügend Strom für die interne digitale Ausgangsfunktion liefern, welche einen Dauerstrom von bis zu 100 mA aufnehmen oder abgeben kann. In diesem Fall ist die Versorgungsspannung der digitalen Ausgangsschaltung DO_UDD direkt mit AUDD verbunden. Für Ströme über 100 mA gibt es die externe digitale Ausgangsfunktion. Sie benötigt eine zusätzliche, an DO_UDD angeschlossene Spannungsversorgung.

Timeouts beim Anwendungsfall interner Digitalausgang

Bild 5. Die Systemversorgung beträgt 24 V, die Spannung DO_UDD = 24 V.

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Um kapazitive Lasten beim Einschalten aufzuladen, kann ein höherer Kurzschlussstromgrenzwert (~280 mA) für eine programmierbare Zeitspanne T1 aktiviert werden, während der Anwendungsfall interner Digitalausgang genutzt wird. Ein zweiter Kurzschlussgrenzwert (~140 mA) wird genutzt, sobald die T1-Zeit abgelaufen ist. Dies ist ein unterer Stromgrenzwert, welcher für eine programmierbare Zeitdauer T2 aktiv ist.

Da das System während dieser Kurzschlussbedingungen mehr Strom benötigt, ist darauf zu achten, dass die Ausgangsspannung UOUT1 an der Powermanagement-Einheit ADP1034 nicht einbricht. Um Spannungseinbrüche zu vermeiden, sollte an den ADP1034 eine Systemversorgungsspannung von 24 V angelegt werden, falls DO_UDD von 24 V benötigt wird. Dies ist eine typische Spannung für ein 24-V-Relais. Für ein 12-V-Relais ist eine minimale Systemversorgungsspannung (ADP1034 UINP) von 18 V zu empfehlen. Damit wird sichergestellt, dass das System genügend Strom an die Last liefern kann.

Bild 5 und Bild 6 zeigen die Spannung DO_UDD zu den Kurzschlussgrenzwerten T1 und T2. Dies belegt, wie stabil die Powermanagement-Einheit ADP1034 hohe Ströme abgeben kann.

Datenisolation und Baugröße

Bild 6. Die Systemversorgung beträgt 24 V, die Spannung DO_UDD = 12V.

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Die Powermanagement-Einheit ADP1034 nutzt die patentierte iCoupler-Technologie von Analog Devices. Das Bauteil enthält in einem 7 mm × 9 mm großen Gehäuse drei isolierte Stromversorgungskanäle, eine SPI-Schnittstelle und drei isolierte GPIO-Kanäle. Aufgrund dieser hohen Integrationsdichte benötigt das Bauteil nur wenig Platz auf der Leiterplatte und erfüllt zugleich die Anforderungen an die Kanalisolation. Darüber hinaus wird die Leistungsaufnahme verringert.

Auf der Controllerseite des ADP1034 werden die anderen SPI-Isolationskanäle in einen stromsparenden Zustand versetzt, wenn die Kanäle nicht verwendet werden. Das bedeutet, dass die Kanäle nur bei Bedarf aktiv sind. Die drei isolierten GPIO-Kanäle werden genutzt, um die Pins RESET, ALERT und ADC_RDY des AD74115H zu isolieren. Dadurch werden alle Isolationsanforderungen des AD74115H ohne die Zusatzkosten eines weiteren Isolator-ICs erfüllt.

Vereinfachte Entwicklung auf Systemebene

Die Autorin: Valerie Hamilton ist Product Applications Engineer bei Analog Devices in Irland

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Die Entwicklung einer isolierten Kanal-zu-Kanal-E/A-Lösung mit geringer Leistungsaufnahme und kleinem Formfaktor kann selbst erfahrene Entwickler herausfordern. Die hier vorgestellte Lösung mit den Bauteilen ADP1034 und AD74115H bietet eine hohe Integrationsdichte und vereinfacht die Entwicklung auf Systemebene. Da ein einziger IC drei isolierte Spannungsversorgungen von einer einzigen Systemversorgung und eine integrierte Datenisolierung bietet, sinken die Bauteilekosten erheblich. Verbunden mit der Flexibilität des AD74115H erfüllt das Systemdesign die meisten industriellen E/A-Anwendungen.