AN-1289: 在无动态功率控制的应用中使用AD5755和类似的动态功率控制DAC

简介

本应用笔记介绍如何在不需要动态功率控制(DPC)功能的应用中使用AD5755和其他类似的工业DAC。

这组产品由5个工业DAC组成，提供多种选项以满足不同的应用。表1罗列并重点介绍了每个DAC的特性。

图1. AD5755和类似的动态功率控制DAC
ADC	Features
AD5755	16位、四通道、电流和电压输出DAC
AD5755-1	16位、四通道、电流和电压输出DAC，集成HART连接
AD5735	12位、四通道、电流和电压输出DAC
AD5757	16位、四通道、电流输出DAC，集成 HART连接
AD5737	12位、四通道、电流输出DAC，集成 HART连接

DPC工作时会检测电流输出引脚上的负载，然后仅提供需要的功率。为实现这一目标，可使用AD5755(举例来说)控制DC-DC转换器，将5 V电源提升至7.4 V和29.5 V之间。

DPC在宽负载范围的系统中特别有用，包括短路条件(0 Ω负载至接地)；电源在芯片内部产生全部功耗。在非DPC系统中，它可使IC温度上升，从而使总系统温度上升。

Figure 1. AD5755 with Dynamic Power Control. — 图1. 集成动态功率控制的AD5755

有些低功耗应用可能不需要动态功率控制。这种情况下，设计中不采用DC-DC转换器。这样可以减少外部元器件数，且对于需要用到AD5755四通道特性的空间受限型应用而言极为有用。

本应用笔记描述了两种DC-DC转换器的替代方法。第一种方法使用外部PMOS来限制片内功耗。第二种方法直接为 DAC上电，所有功耗直接在芯片内部产生。每种方法均介绍了设置，并计算片内和片外总功耗。

方法1—使用外部PMOS

作为DC-DC转换器的替代方案，外部PMOS晶体管可用来限制片内功耗，但不会降低整个系统的功耗。PMOS电路采用AD5755、AD5735和AD5755-1构建，如图2所示。

Figure 2. Configuration of a Channel using an External Zener Diode on the AD5755-1. — 图2. 在AD5755-1上使用一个外部齐纳二极管配置一条通道

V_BOOST上电必须同时满足电压和电流输出范围。只要在 V_BOOST和表2等式中的输出之间保持足够的裕量，V_BOOST便可连接至AV_DD。

表2. 电源变化
参数	建议最小/最大电压
AV_CC	DV_DD至5.5 V
V_BOOST	7.4 V(最小值)至33 V(最大值) 电流输出 (I_OUT × R_LOAD) + 裕量 2.4 V裕量(典型值)，2.7 V裕量(最大值) 电压输出 15 V(典型值)，V_OUT + 裕量(最大值) 2.2 V裕量(最大值)

SWx和COMP_{DCDC_A}引脚保持开路。将AV_CC连接至DV_DD。这样做可以保持AV_CC引脚上的电压高于大部分负电源(AV_SS 或0 V，仅适用于AD5755-1、AD5737和AD5757)。若AV_CC引脚电压等于或低于大部分负电压，则可能会发生闩锁。 AV_CC和V_BOOST供电轨的建议电源请参见表2。所有其他引脚均以使用动态功率控制功能时的同样方式设置。详情请参见产品数据手册中的“引脚配置”部分和“布局指南”部分。

V_BOOST通过外部供电，且齐纳二极管将外部PMOS栅极电压保持在V_BOOST——即齐纳电压。这意味着大部分通道功耗发生在外部PMOS晶体管上。

PMOS功耗可计算如下(使用最差情况数据)：

V_BOOST = 33 V

Zener Voltage = 5 V

R_LOAD = 0 Ω

I_OUT = 24 mA

一个通道

片内功率

5 V × 0.024 A = 0.12 W

片外功率

28 V × 0.024 A = 0.672 W

四个通道

片内功率

0.12 W × 4 = 0.48 W

片外功率

0.672 W × 4 = 2.688 W

本节的计算未考虑AD5755的静态电流；表3包含计算最大功率的电流，以及AD5755允许的环境温度。由计算可知，等式中V_BOOST为5 V。功率的其余部分在PMOS片外耗散。

表3. 散热和电源条件(假设AV_SS = −15 V，AV_CC = 5 V，AV_DD/V_BOOST = 33 V)
参数	计算
在85°C环境温度下工作的最大容许功耗
容许的最高环境温度——一条通道	AV_DD 33 V × 0.0075 A = 0.2475 W AV_SS −15 V × 0.0017 A = 0.0255 W AV_CC 5 V × 0.001 A = 0.005 W V_BOOST 1 (一条通道) 33 V × 0.025 A = 0.825 W 总计(一条通道) 1.103 W 温度上升 1.103 × 28 = 30.9°C 最高环境温度 125°C – 30.9°C = 94.1°C
容许的最高环境温度——四条通道	AV_DD 33 V × 0.0075 A = 0.2475 W AV_SS −15 V × 0.0017 A = 0.0255 W AV_CC 5 V × 0.001 A = 0.005 W V_BOOST 1 (四条通道) (33 V × 0.025 A) × 4 = 3.3 W 总计(四条通道) 3.578 W 温度上升 3.578W × 28 = 100.18°C 最高环境温度 125°C – 100.18°C = 24.816°C

选择R1时，功率保持在较低水平很重要。本例中，R1 = 1 MΩ，电源电压为33 V。齐纳二极管上的压降为5 V。这意味着经过1 MΩ电阻的电流为28 µA(已耗散0.784 mW)。选择PMOS 时，必须要能耐受–V_BOOST的V_DS电压，并处理所需的功耗。通常PMOS对电流输出性能的影响十分小。

图3中的AD5757/AD5737提供专用引脚(IGATEx)控制外部 PMOS。因此，无需使用齐纳二极管。只有在不使用动态功率控制功能时，才使用IGATEx引脚。它可将外部PMOS栅极电压保持在V_BOOST – 5 V，使外部PMOS承担大部分功耗。

Figure 3. Configuration of a Channel using IGATE (AD5757 or AD5737). — 图3. 使用IGATE(AD5757或AD5737)配置一条通道

选择PMOS时，必须要能耐受–V_BOOST的V_DS，并处理所需的功耗。通常PMOS对电流输出性能的影响十分有限。设置与计算过程和PMOS/齐纳二极管配置相同。

方法2—将V_BOOST与AV_DD相连

虽然方法2不需要额外的元器件，但所有功耗都发生在片内。若使用本方法，那么用户必须留意允许的最大功耗以及环境温度。超过数据手册中的绝对最大额定值可能会损坏器件。

V_BOOST上电必须同时满足电压和电流输出范围。只要在 V_BOOST和表2等式中的输出之间保持足够的裕量，V_BOOST便可连接至AV_DD。

SWx和COMP_{DCDC_A}引脚保持开路。将AV_CC连接至DV_DD。这样做可以保持AV_CC引脚上的电压高于大部分负电源(AV_SS 或0 V，仅适用于AD5755-1、AD5737和AD5757)。若AV_CC引脚电压等于或低于大部分负电压，则可能会发生闩锁。AV_CC和V_BOOST供电轨的建议电源请参见表2。所有其他引脚均以使用动态功率控制功能时的同样方式设置。详情请参见 AD5755数据手册中的“引脚配置”部分和“布局指南”部分。

注意，如果未使用动态功率控制，则了解功耗的影响将具有更重要的意义。