具有HART的完全隔离、单通道电压、4 mA至20 mA输出的电路

  该电路提供一款完整的、完全隔离、模拟输出通道，适合需要标准4mA至20 mA HART®1-兼容型电流输出和单极性/双极性输出电压范围的可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)模块。它为通道间隔离PLC/DCS输出模块或其他所有需要完全隔离式模拟输出的工业应用提供了灵活的构建块。电路在模拟输出端还提供了外部保护功能。

  AD5422 16位数模转换器(DAC)可通过软件配置，提供全部必须的电流和电压输出。

  AD5700-1是业界功耗最低、尺寸最小的 HART兼容型IC调制解调器，与 AD5422配合使用，组成完整的HART兼容型4 mA至20 mA解决方案。 AD5700-1集成内部精密振荡器，可额外节约空间，尤其在通道间隔离应用中。

  PLC/DCS 解决方案一定与本地系统控制器隔离，使之免受接地环路影响，同时确保不受外部事件影响。传统解决方案利用分立IC提供电源和数字隔离。当需要多通道隔离时，分立电源解决方案的成本和空间会变成一个大大的缺点。基于光隔离器的解决方案通常具有合理的输出调节，但需要额外的外部元件，因而会使电路板面积增大。电源模块常常体积庞大，而且输出调节可能不佳。图1中的电路使用 ADuM347x系列隔离器和电源调节电路，及相应的反馈隔离。使用外部变压器将功率传输到隔离栅的另一端。

  ADP2441, 是36 V降压DC-DC稳压器，采用工业标准24 V电源，具有宽输入电压容差。它可将电压降为5 V，为所有控制器侧电路供电。该电路还在24 V电源端集成了标准外部保护，同时还可提供+36 V至28 V的直流过压保护。

  AD5422提供前面列出的所有输出范围，电流输出范围和电压输出范围分别以独立引脚提供。针对所有电压范围提供 10% 超量程功能，并且针对电流输出提供 0 mA 至 20 mA 超量程。模拟输出受短路和开路保护。

  AD5422具有一个片上 10 ppm/C 基准电压源。为了在额定温度范围内达到更高的性能，该设计使用了 ADR02 基准电压源。 ADR02是一款 5 V 精密基准电压源，允许高达 36 V 的输入电压。其最大精度误差为 0.05% ，最大温度漂移为 3 ppm/C 。该漂移在工业温度范围内会贡献大约 0.02% 误差。

  AD5422支持以内部或外部精密电流设置电阻作为电流输出电路。本设计使用内部电流检测电阻选项;但利用精密外部 15 k电阻，可达到更高的精度。

  通过浮空 AD5422的 DV CC SELECT 引脚，内部 4.5 V 电源可连接至 DV CC 引脚，用于 AD5700-1的数字电源和隔离器的现场端。也可使用 ADuM3471上的 5 V 输出型低压差 (LDO) 稳压器。 LDO 提供更紧凑的 5 V 稳压供电轨;但由于 ADuM3471稳压器输入引脚上的绝对最大额定值，它不允许高于 20 V 的直流过压。

  AD5700-1与 AD5422搭配使用，组成完整的 HART 兼容型 4 mA 至 20 mA 解决方案。 AD5700-1是 0.5% 精密内部振荡器，可极大节省在通道间隔离的应用中的板上空间;这类应用原本需要针对每通道使用时钟晶体。晶体通常比 AD5700-1 IC 本身要大;因此，内部振荡器节省下来的面积空间是巨大的。

  HART 调制解调器输出通过 C1 和 C2 衰减，并通过 CAP2 引流耦合至 AD5422。别的信息参见 AN-1065 应用笔记 . Circuit Note CN-0278。电路笔记CN-0278 描述了一种使用 R SET 引脚的替代 HART 耦合方式，具有更高的电源抑制性能，但需要用一个外部精确电流设置电阻。

  AD5422需要的电压输出裕量最大值为 0.8 V ，并且电流输出需要最大值为 2.5 V 的裕量。因此，需要一个大于 12.5 V 的电源，以便通过 500负载输出 20 mA 电流。在本设计中，最小电源电压 ( 过温 ) 不超过 13.5 V ，允许具有一定裕量。

  ADuM347x为四通道数字隔离器，集成脉冲宽度调制 (PWM) 控制器和低阻抗变压驱动器 (X1 和 X2) 。隔离式 DC/DC 转换器仅需要以下额外器件：变压器和简单的全波二极管整流器。采用 5.0 V 或 3.3 V 输入电源时，器件最多可提供 2 W 的调节隔离功率，因而无需另外使用隔离式 DC-DC 转换器。

  i Coupler® 芯片级变压器技术用于隔离逻辑信号;集成的变压器驱动器带隔离副边控制功能，能大大的提升隔离式 DC/DC 转换器的效率。内部振荡器频率能在 200 kHz 至 1 MHz 范围内调整，由 R OC 的值决定。当 R OC = 100 k时，开关频率为 500 kHz 。

  ADuM3471调节来自 15 V 正电源。调节反馈来自分压器网络 (R1 和 R2) 。电阻根据以下要求选择：当输出电压为 15 V 时，反馈电压为 1.25 V 。反馈电压与 ADuM3471内部反馈设定点电压 1.25 V 相比较。调节通过改变驱动外部变压器的 PWM 信号的占空比来实现。

  负电源的调节不太严格，且空载时可能低至 26.4 V 。因此，在负电源处放置一个 25 V 齐纳二极管。轻载时，二极管从电源获取小电流，但可确保其箝位在 25 V 左右。

  另一种方法是使用匝数比为 4:1 的隔离式变压器;当其空载时，负供电轨不会过低。在要求较高顺从电压或极低功耗的应用中，应当考虑其它电源设计。

  图 1 中的电路采取 24 V 电源供电。 ADP2441用于将 24 V 降压为 5 V ，为所有控制器侧电路供电。

  ADP2441可接受最高 36 V 的电压，并且可更轻松地达到可靠的电源输入瞬变保护。

  ADP2441还具有其他各种安全性 / 可靠性功能，如欠压闭锁 (UVLO) 、精确使能特性、电源良好引脚和过流限值保护。对于 24 V 输入和 5 V 输出，它能达到最高 90% 效率。

  ADuM3471电源隔离电路包括四个完全隔离的电压通道，隔离额定值为 2.5 kV 。这四个通道用于隔离的四条数据线路 (SCLK 、 LATCH 、 SDIN 和 SDO) 。 SDO 线路隔离对于电路运行而言并非必要，但允许访问诊断和故障特性，以及寄存器回读。

  直流过压保护图 1 中的电路允许对持续的直流电压 +36 V 和 28 V 进行过压 保护。这在某种程度上预示着，在直流电源线路意外连接输出时，电路 受到保护。 在过压条件中，电源通过外部保护二极管拉高或拉低。这 些二极管和输出端之间的电阻限制了峰值电流。 输出端的最大 / 最小电压受限于任意连接输出或电源电路的 击穿电压。 AD5422的电流和电压输出可耐受 +48 V 至最低 28 V 。 AV SS 输入可耐受 28 V ， AV DD 可耐受 +48 V 。 ADR02基准电压源输入可耐受 36 V 。 AD5700-1的 ADC_IP 引脚受 150 k电阻保护，该电阻限制所有电流，后接一个 300 pF 隔直电容。在直流过压条件下，勿将其他 IC 暴露在较高的 电压下。 瞬变电压保护 AD5422内置 ESD 保护二极管，可防止正常操作造成的损 害。但是，工业控制环境会使 I/O 电路遭受高得多的瞬 变。为避免过高瞬态电压影响 AD5422，在大多数情况下要外部功 率二极管和浪涌电流限制电阻，如图 1 所示。 对电流输出路径上电阻值的制约条件 ( 图 1 中的 18 ) 是：正 常工作时， I OUT 输出电平一定要保持在其顺从电压限值内， 即 AV DD 2.5 V ，并且两个保护二极管和电阻一定要有适当 的额定功率。在 18 下，对于 4 mA 至 20 mA 输出，引脚上 的电压限值会降低 V = IMAX × R = 0.36 V. 对电压输出路径上电阻值的制约条件 ( 图 1 中的 100 ) 是： 整个输出电压范围内一定要有 0.8 V 裕量。电阻效应可通过 +V SENSE输入降至最低。如图 1 所示， +V SENSE 输入受 22 电阻 保护。相应地， V SENSE 路径上还有一个 22 电阻。这两个 22 电阻会导致绝对增益误差，该误差在大多数情况下要在室温下 加以校准;产生该误差的原因是 AD5422的内部反馈电路阻 抗仅为70k。在 AD5422的输出端 ( 而非 V OUT 引脚 ) 检测电压 的优势是， V OUT 引脚的保护电阻两头具有可变电压，具体 取决于所获取的负载电流。在输出端检测可避开此误差源。 还能够最终靠瞬态电压抑制器 (TVS) 或瞬态吸收器实现进一 步的保护。这些元件包括单向和双向抑制器，可提供各种 各样的隔离和击穿电压额定值。 TVS 应尽量采用最低击穿 电压定标，同时在电流正常输出的范围内不导通。如前所述，建议保护所有远程连接节点。

  经验证，采用图中所示的元件值，该电路能够稳定地工作，并拥有非常良好的精度。如果应用只需要 4 mA 至 20 mA 电流输出，则能够正常的使用单电源方案。这种情况下， AD5422 的正 AV DD 电源能够达到比如 24 V ，而输出顺从电压为 24 V 2.5 V = 21.5 V 。输出电流为 20 mA 时，可以驱动高达 1k的负载电阻。

  对于需要在同一个引脚输出电压和电流的应用，参见电路笔记 CN-0278中的技巧。

  若不需要过压保护，则能够使用数值较低的最大电源电压，如 ADR4550或 ADR445。

  可使用 AD5700调制解调器，而非 AD5700-1;但需要用外部晶体或 CMOS 时钟。

  请先安装评估软件，再将评估板和 SDP 板连接到 PC 的 USB 端口，确保 PC 能够正确识别评估系统。

  4. 启动 EVAL-CN0321-SDPZ软件，然后确认出现的所有对话框。这样就完成了安装。

  软件主窗口如图 3 所示。点击 Advanced 可提供配置 AD5422的更多选项。

  对于 HART 通信而言，确保开启了电流输出范围，进而选择 HART 页面。在 HART 页面上，数据可输入 Command 命令框，然后发送 4 mA 至 20 mA 环路;软件可以设为轮询 4 mA 至 20 mA 环路上的任意数据。也可选择 HART Query 页面，查询所连接 HART 兼容型执行器的器件地址和器件类型。

  表 3 显示 10 V 输出范围内，电路的测量电压输出误差。

  AD5422的 INL 在线性电源和隔离式 DC/DC 开关电源两种情况下来测试，确保系统精度不会因为开关电源而有所损失。图 4 显示的是线性电源以及开关电源下的 INL 。与线性电源相比，使用开关电源时性能无显著损失。

  此外还测试并比较了线性电源和开关电源两种情况下一段时间内的平均输出噪声，如图 5 所示。注意，一段时间内测得的输出噪声存在细微的偏差。这一偏差不超过 1 LSB ，可能由略为不同的测量设置引入，或两次测量间隔期间的基准电压漂移引入。

  图 1 中的电路要与 HART 兼容，一定要符合 HART 物理层规范。 HART 规范文档中包含了众多物理层规范。为了评估硬件性能，采用静默期间的输出噪声和模拟变化率测试。

  当 HART 设备不进行传输 ( 静默 ) 时，噪声不应耦合至网络上。噪声过高可能会干扰设备本身或网络上的其它设备对 HART 信号的接收。

  对于在环路中的 500 负载上测得的电压噪声，其包含的宽带噪声和 HART 扩展频带中的相关噪声总和不能超过 2.2 mV rms 。此外， HART 扩展频带外的噪声不应超过 138 mV rms 。

  500负载上的噪声采用真均方根测量仪测得。此噪声作为带外噪声直接做测量，作为带内噪声通过 HCF_TOOL-31 滤波器测量。还需要用示波器来检查噪声波形。

  模拟变化率测试可确保器件调节模拟输出电流时，模拟电流的最大变化率不会干扰 HART 通信。电流的阶跃变化会扰乱 HART 信号传输。

  最差情况下的模拟输出电流变化一定不可以产生高于 15 mV 峰值电压的干扰，此数值在 HART 扩展频带下，通过对 500 负载做测量得到。

  AD5422 DAC 和输出驱动器相对较快。因此，为满足所需的系统规格，输出电流变化受限于使用 AD5422 CAP1 和 CAP2 引脚电容时的硬件压摆率限值，以及 AD5422的数字压摆率控制特性。详见 AN-1065 应用笔记 。

  使用一个示波器执行该测试，并通过 HCF_TOOL-31 滤波器耦合至 500负载。

  结果如图 7 所示。 4 mA 至 20 mA 输出线 中的蓝线 mA 之间的周期性步进，直接在 500负载上测得。滤波器放大 10 倍的输出 ( 见图 7 中的红线 ) 是 HCF_TOOL-31 滤波器输出端捕获的信号，将其放大 10 倍，并处于 150 mV 峰值限制之内。 图7.模拟变化率波形具有HART的完全隔离、单通道电压、4 mA至20 mA输出 (CN0321)