用于動態電源控制型DAC的高瞬態電流5 V穩壓器(CN0198)

連接/參考器件

AD5755：16位、四通道、電壓輸出DAC，提供動態電源控制

ADP2300：700 kHz異步降壓開關穩壓器

評估和設計支持

電路評估板

AD5755評估板(EVAL-AD5755SDZ)

系統演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)

ADP2300評估板(ADP2300-EVALZ)

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優勢

圖1中的電路可為基于數模轉換器的4 mA至20 mA輸出電路提供獨特的節能解決方案。為了能對10 Ω和1000 Ω之間的典型阻性負載提供足夠的裕量，傳統的4 mA至20 mA輸出驅動器級必須至少能在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，驅動高數值的阻性負載。然而，對于低數值的阻性負載，固定的高電源電壓值會導致極高的內部功耗，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個獨立的高效內部DC-DC轉換器，能夠根據4 mA至20 mA驅動器的實際輸出電壓檢測值，以動態可調節的升壓驅動4個輸出級。無論負載電阻多大，升壓電路都可在輸出級保持數伏的裕量;對于輸入10 Ω負載的24 mA輸出電流而言，可降低大約4倍的最大內部功耗。

內部DC-DC轉換器需要外部5 V電源供電，當DAC以滿量程壓擺率輸出時，轉換器將消耗大量的功耗。基于ADP2300的高效率外部DC-DC轉換器電路采用15 V電源驅動，并同樣提供15 V電壓輸出。ADP2300具有針對高達800 mA大電流階躍的出色瞬態響應性能，可確保升壓轉換器的正常工作，而無需使用5 V獨立電源。

整個電路采用±15 V電源供電，允許DAC提供范圍涵蓋工業信號電平的最高±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目，并保證各種負載條件下的16位性能。

圖1. 電源方案經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AD5755器件對壓擺率和動態電源的控制特性，建立了更為完整和穩定的DAC解決方案。利用ADP2300部署簡易降壓DC-DC轉換器，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字數據轉換為模擬電流的標準DAC相似(例如，0 mA至20 mA、4 mA至24 mA或0 mA至24 mA)，或與任何將數字數據轉換為電壓輸出的標準DAC相似(例如，0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V或±10 V)。AD5755采用AVSS擴展至−26.4 V和AVDD擴展至+33.0 V的電源供電。

功耗控制

在標準電流控制模塊或執行器設計中，負載電阻值典型范圍為50 Ω至750 Ω，但也可低至10 Ω，或高達1 kΩ。在整個負載電阻值范圍內，必須采用可提供足夠裕量的電源電壓，為4 mA至20 mA輸出驅動器級供電。例如，當驅動24 mA至1 kΩ負載時，要求使用高于27 V的電源電壓，此時假定需要具有3 V的裕量。本例中由輸出驅動器產生的內部封裝功耗為3 V × 24 mA = 72 mW。然而，當使用同樣的27 V電源電壓驅動10 Ω負載時，驅動器的內部功耗約為27 V × 24 mA = 648 mW。對于四通道DAC而言，這表示總功耗大于2.5 W。

AD5755電路對輸出電壓進行檢測，并動態調節升壓電源電壓，使其滿足電源電壓要求的同時留有足夠的裕量。對于將24 mA輸出驅動至10 Ω而言，7.4 V的升壓電壓產生的內部功耗僅為7.4 V × 24 mA = 178 mW。這表示與不進行調節的情況相比，功耗降低了將近4倍。

通過4個工作在5 V輸入電壓下的獨立DC-DC轉換器，可單獨為所有4個DAC輸出產生升壓電源電壓。

DC-DC轉換器

AD5755集成4個獨立的板載DC-DC轉換器，為每個獨立通道提供針對VBOOST_X電源電壓的動態控制。圖2所示為該DC-DC電路需要的分立式元件，以下各節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10 Ω、100 nF低通RC濾波器。雖然該器件會消耗少量電能，但會減少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轉換器的分立元件