工业4.0时代：TI为工厂自动化和过程控制带来什么创新技术？

工业4.0已经彻底改变了制造业，改变了工厂的设计和实施方式。

你造嘛？在工厂自动化和过程控制应用中，我们将Industry 4.0的影响归结为两个基本概念：分散式系统和智能确定性系统的扩散。

分散式系统固有地需要进行模块化设置，并具灵活性。高效、低功耗和热优化的设计是这些系统的关键推动因素。

智能确定性系统是可以早期检测故障并提高可靠性的模块。

在工厂自动化和过程控制应用中，数模转换器（DAC）通常在用于可编程逻辑控制器（PLC）和传感器发射器的模拟输出中被发现。这两种情况下，DAC都可用于传送电压输出或电流输出。

DAC8775，TI最新的高精度DAC，通过包括4-20mA驱动器、电压输出和片上自适应电源管理在行业中最具集成性。

更多的I / O通道融入一个小型形状系数，增加了对热优化和高效率系统的需求，这对设计人员来说是一个不小的挑战。大多数模拟输出模块4-20mA驱动电路采用具有增益级的高侧电压 - 电流转换电路。

由放大器A1建立的回路将DAC输出电压转换成电流，通过负反馈，放大器A1将RSET两侧的电压设置为等于DAC输出，RSET两侧的这个电压降将设定流过第一级IM的电流。通过使用由放大器A2和RMIRROR鳄鱼RSENSE电阻对的组合建立的回路，产生的电流IM进一步被增益。放大器A2将强制RSENSE两侧的电压等于VMIRROR，通过与RMIRROR和RSENSE的比例成正比的因子，产生从IM增益的负载电流。

如下图所示，RLOAD如同PLC系统一样，通常表示线性执行器负载。由于目前通过RMIRROR不提供负载，因此将直接降低系统的效率。良好的设计实践是将该电流最小化，将其设置为小于输出电流的1％。出于计算的目的，假设RMIRROR和RSENSE之间的高比率（> 1到100），我们忽略IM。

在典型情况下，VPOS电压可以在12-36V之间变化。RLOAD也可以从短电阻到1kΩ变化。当阀门设定为满量程时，控制器将通过负载驱动20mA。这意味着负载消耗的功率是PLOAD = I2R = 0.4mW，所产生的总功率为Pgenerated = = 0.72W。电压 - 电流转换电路耗散剩余的功率：0.72W-0.4mW = 0.7196W。这是一个非常低效的系统，并将导致系统温度的不必要地增加。

第二个示例，其中负载阻抗较高，为1kΩ。在这种情况下，PLOAD = I2R = 0.4W。所产生的总功率为Pgenerated = = 0.72W。电压 - 电流转换电路耗散其余功率：0.72W-0.4W = 0.32W。

可以想象，如果存在大量的功率损耗，在这么小的空间中将会不可持续地增加更，这将直接增加系统温度，降低可靠性并增加故障。示例中显示的单通道设计的功率损耗，在存在四个通道的情况下，第一个和第二个示例中的功率损耗分别接近2.8W和1.2W。

由于功率损耗随着更高通道数模块的使用而急剧增加，一种可能的解决方案是根据负载自适应地更改VPOS供应。您可以通过添加一个简单的反馈网络并使用降压/升压转换器为负载提供必要的电源来实现。如图2所示：

在这种设计技术中，降压/升压转换器将检测驱动负载的输出FET的漏极 - 源极电压，并产生内部成比例的误差电流。通过复杂的状态机算法，设备将决定降低或提升电源。

该技术在四通道DAC8775中得以实现，从而实现更高的效率。

如果使用与第一个示例相同的值，当负载为1Ω时，降压/升压转换器会将DAC的电源降低，从而获得所需的最小电源。

在DAC8775的情况下，将低至4.5V。

如在第一个示例中，PLOAD = I2R = 0.4mW。产生的总功率为Pgenerated = VI = 0.09W。电压 - 电流转换电路耗散其余功率：0.09W-0.4mW = 89.6mW。因此，与示例1相比，功耗提高了8倍。

对于1kΩ负载情况，PLOAD = I2R = 0.4W。所产生的总功率为Pgenerated = = 0.46W，因为降压/升压转换器将VPOS设置为23V。电压 - 电流转换电路耗散其余功率：0.46W-0.4W = 0.06W。因此，与没有降压/升压转换器反馈的设计相比，功耗提高了五倍。

在具有和不具有自适应功率反馈电路的四通道设计中比较芯片的结温显示了芯片温度的显著改善。图3和图4为DAC8775的测量结果，比较了在1Ω和1kΩ RLOAD情况下，使用和不使用降压/升压转换器的模温。如图3，该技术可以将结温提高至高达36°C。

当将越来越多的通道挤入更小的空间时，热优化成为区分模块功能的关键性能参数。在热量未优化的模块中，系统故障是常见的，且由于温度漂移较大，性能下降。

由于DAC8775的高集成度和高效率，因此具有出色的DC和漂移性能。