用于动态电源控制型DAC的高瞬态电流5 V稳压器(CN0198)

连接/参考器件

AD5755：16位、四通道、电压输出DAC，提供动态电源控制

ADP2300：700 kHz异步降压开关稳压器

评估和设计支持

电路评估板

AD5755评估板(EVAL-AD5755SDZ)

系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)

ADP2300评估板(ADP2300-EVALZ)

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单

电路功能与优势

图1中的电路可为基于数模转换器的4 mA至20 mA输出电路提供独特的节能解决方案。为了能对10 Ω和1000 Ω之间的典型阻性负载提供足够的裕量，传统的4 mA至20 mA输出驱动器级必须至少能在20 V(加上一些额外裕量)的电压下工作，以便提供足够的电压，驱动高数值的阻性负载。然而，对于低数值的阻性负载，固定的高电源电压值会导致极高的内部功耗，不仅影响DAC精度，更需采用额外的散热手段。

四通道、16位DAC AD5755集成4个独立的高效内部DC-DC转换器，能够根据4 mA至20 mA驱动器的实际输出电压检测值，以动态可调节的升压驱动4个输出级。无论负载电阻多大，升压电路都可在输出级保持数伏的裕量;对于输入10 Ω负载的24 mA输出电流而言，可降低大约4倍的最大内部功耗。

内部DC-DC转换器需要外部5 V电源供电，当DAC以满量程压摆率输出时，转换器将消耗大量的功耗。基于ADP2300的高效率外部DC-DC转换器电路采用15 V电源驱动，并同样提供15 V电压输出。ADP2300具有针对高达800 mA大电流阶跃的出色瞬态响应性能，可确保升压转换器的正常工作，而无需使用5 V独立电源。

整个电路采用±15 V电源供电，允许DAC提供范围涵盖工业信号电平的最高±10 V电压输出以及4 mA至20 mA的电流输出。本器件组合是一款低成本、高能效解决方案，最大程度减少了所需的外部器件数目，并保证各种负载条件下的16位性能。

图1. 电源方案经修改后的电流和电压输出型DAC(原理示意图：未显示所有连接和去耦)

电路描述

本电路增强AD5755器件对压摆率和动态电源的控制特性，建立了更为完整和稳定的DAC解决方案。利用ADP2300部署简易降压DC-DC转换器，本电路可提供压摆AD5755的输出所需的高于普通电流值的电源电流。

AD5755工作性能与任何将数字数据转换为模拟电流的标准DAC相似(例如，0 mA至20 mA、4 mA至24 mA或0 mA至24 mA)，或与任何将数字数据转换为电压输出的标准DAC相似(例如，0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V或±10 V)。AD5755采用AVSS扩展至−26.4 V和AVDD扩展至+33.0 V的电源供电。

功耗控制

在标准电流控制模块或执行器设计中，负载电阻值典型范围为50 Ω至750 Ω，但也可低至10 Ω，或高达1 kΩ。在整个负载电阻值范围内，必须采用可提供足够裕量的电源电压，为4 mA至20 mA输出驱动器级供电。例如，当驱动24 mA至1 kΩ负载时，要求使用高于27 V的电源电压，此时假定需要具有3 V的裕量。本例中由输出驱动器产生的内部封装功耗为3 V × 24 mA = 72 mW。然而，当使用同样的27 V电源电压驱动10 Ω负载时，驱动器的内部功耗约为27 V × 24 mA = 648 mW。对于四通道DAC而言，这表示总功耗大于2.5 W。

AD5755电路对输出电压进行检测，并动态调节升压电源电压，使其满足电源电压要求的同时留有足够的裕量。对于将24 mA输出驱动至10 Ω而言，7.4 V的升压电压产生的内部功耗仅为7.4 V × 24 mA = 178 mW。这表示与不进行调节的情况相比，功耗降低了将近4倍。

通过4个工作在5 V输入电压下的独立DC-DC转换器，可单独为所有4个DAC输出产生升压电源电压。

DC-DC转换器

AD5755集成4个独立的板载DC-DC转换器，为每个独立通道提供针对VBOOST_X电源电压的动态控制。图2所示为该DC-DC电路需要的分立式元件，以下各节将介绍该电路的工作原理。

图2. DC-DC外部电路

建议在CDCDC之后放置一个10 Ω、100 nF低通RC滤波器。虽然该器件会消耗少量电能，但会减少VBOOST_X电源上的纹波。推荐的LDCDC、CDCDC和DDCDC器件值见表1。

表1. 用于DC-DC转换器的分立元件

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DC-DC转换器工作原理

片上DC-DC转换器采用一种恒频、峰值电流模式控制方案，以将4.5 V至5.5 V的AVCC输入升压，从而驱动AD5755输出通道。这些器件设计用于工作电流断续模式(DCM)，占空比小于90%(典型值)。

断续导通模式是一种工作模式，其中电感电流在较大比例的开关周期内为零。DC-DC转换器属于异步器件，要求采用外部肖特基二极管。

DC-DC转换器输出电压

启用通道电流输出时，转换器将VBOOST_X电源调节至7.4 V (±5%)或(IOUT × RLOAD + 裕量)(取较大值)。电压裕量值约为3 V。在电压输出模式下，若输出被禁用，转换器将把VBOOST_X电源调节至+15 V (±5%)。在电流输出模式下，若输出被禁用，转换器将把VBOOST_X电源调节至7.4 V (±5%)。

在通道内部，VOUT_X级和IOUT_X级共用一个VBOOST_X电源，因此IOUT_X级和VOUT_X级的输出可以连在一起。

DC-DC转换器建立时间

在电流输出模式下，步长大于约1 V (IOUT × RLOAD)的建立时间将以DC-DC转换器的建立时间为主。当IOUT_X引脚需要的电压与顺从电压之和低于7.4 V (±5%)时除外。负载越小，建立时间越快。当电流步长小于24mA时，建立时间也会更快。

DC-DC转换器VMAX功能

最大VBOOST_X电压在DC-DC控制寄存器中设置。达到该最大电压时，DC-DC转换器被禁用，VBOOST_X电压则下降约0.4 V。当VBOOST_X电压下降时，DC-DC转换器被重新启用，电压斜坡再次升到VMAX(若仍有必要)。

图3. VMAX工作原理

从图3可以看出，当AD5755上升到VMAX值时，状态寄存器中的DC-DCx位置位，但当电压下降到VMAX − 0.4 V时，DC-DCx位解除置位。

AVCC电源静态电流要求

DC-DC转换器设计用于提供此数值的VBOOST_X电压：VBOOST = IOUT × RLOAD + Headroom

这意味着，对于固定负载和输出电压，DC-DC转换器的输出电流可以通过下式计算：

其中：

IOUT是IOUT_X的输出电流(单位：A)。

ηVBOOST为VBOOST_X的效率，表示为小数。

AVCC电源的压摆电流要求

AICC在压摆期间的电流要求大于静态工作模式，因为输出功率会增大，以便给DC-DC转换器的输出电容充电。如果无法提供足够的AICC电流，AVCC电压会下降。受AVCC下降影响，压摆所需的AICC电流会进一步增加。这意味着AVCC端的电压会继续下降，VBOOST_X电压以及输出电压可能永远无法达到目标值。由于该AVCC电压为所有通道共用，所以这也可能会影响其他通道。

ADP2300 AVCC电源

ADP2300和某些分立元件用于创建简单的5 V电轨，满足AD5755如前所述的电源电流要求。通过输出电压与FB引脚之间的一个电阻分压器(见图4)，可从外部设置输出电压。

图4. ADP2300典型应用(ADP2300评估板)

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测试数据与结果

所有测试数据均来自EVAL-AD5755SDZ、EVAL-SDP-CB1Z和ADP2300-EVALZ板。使用ADP2300的系统积分非线性(INL)、差分非线性(DNL)和总非调整误差(TUE)分别见图5、图6和图7。AD5755升压调节器在所有测量过程中均处于工作状态。

该系统的完整文档位于CN0198设计支持包中。

图5. 电压输出的INL

图6. 电压输出的DNL

图7. 电压输出的TUE

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常见变化

AD5755-1与AD5755性能相近，但前者提供HART连接。AD5755-1各通道均有一个相应的CHARTx引脚，因此HART信号可以耦合到其电流输出端。

电路评估与测试

本电路使用EVAL-AD5755SDZ电路板和EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台(SDP)评估板。这两片板具有120引脚的对接连接器，可以快速完成设置并评估电路性能。

EVAL-AD5755SDZ电路板包含待评估的电路，且SDP评估板与AD5755评估软件一起使用，可获取数据。

设备要求

需要以下设备：

带USB端口和Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows 7(32位)PC

EVAL-AD5755SDZ电路板

EVAL-SDP-CB1Z SDP评估板

ADP2300-EVALZ评估板

AD5755评估软件

电源：±15 V

数字万用表(即Agilent 34401A)

GPIB转USB电缆(仅在捕捉DAC模拟数据并将其传送到PC时才需要)

开始使用

将AD5755评估软件光盘放入PC中，加载评估软件。打开我的电脑，找到包含评估软件光盘的驱动器，打开Readme文件。按照Readme文件中的说明安装和使用评估软件。

功能框图测试设置框图见图8，电路原理图见EVAL-CN0198-SDPZ-SCH-RevX.pdf文件。此文件位于CN0198设计支持包中。

图8. 测试设置框图

设置

将EVAL-AD5755SDZ上的120引脚连接器连接到EVAL-SDP-CB1Z上的CON A连接器。使用尼龙五金配件，通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片板。

在关断电源的情况下，执行下列操作：

将±15 V电源连接至EVAL-AD5755SDZ的J5端子板。

将15 V电源连接至ADP2300-EVALZ的输入端。

将输出引脚连接至EVAL-AD5755SDZ的J6连接器。

将±15 V电源连接至EVAL-AD5755SDZ的J5连接器。

SDP板附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。注意：此时请勿将该USB电缆连接到SDP板上的微型USB连接器。

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测试

为ADP2300-EVALZ和EVAL-AD5755SDZ电源供电。

通过USB电缆将PC连接到SDP板上的微型USB连接器，并启动评估软件。

一旦USB通信建立，就可以使用SDP板来发送和接收来自EVAL-AD5755SDZ的数据。

有关EVAL-SDP-CB1Z的信息，请参阅SDP用户指南。

有关测试设置以及如何使用评估软件来捕捉数据的详细信息，请参阅CN-0198用户指南。

图9. EVAL-AD5755SDZ板的照片