Industry 4.0的影响归结为两个基本概念

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。在工厂自动化和过程控制应用中，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是TI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。在这篇博文中，将提供与DAC8775相关的威廉希尔官方网站 示例，并探索如何设计这个行业的当前趋势。

许多系统控制器由于传感器数量的增加而处理数百个输入/输出（I / O）点。这给设计人员提供了一个挑战，即将更多的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。大多数模拟输出模块4-20mA驱动威廉希尔官方网站 采用具有增益级的高侧电压—电流转换威廉希尔官方网站 。图1所示为典型的架构。

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。（假设IRSET等于IM的理想情况）。通过使用由放大器A2和RMIRROR和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，这产生了从IM增益的负载电流。如图1所示，RLOAD通常表示线性执行器负载，如同PLC系统的情况。由于目前通过RMIRROR不提供负载，这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。为了说明这一点，可以考虑我们的第一个示例，即VPOS等于36V，RLOAD等于1Ω的情况。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 = VI = 0.72W。从这个例子可以看出，电压— 电流转换威廉希尔官方网站 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。

考虑第二个示例，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 = VI = 0.72W。电压 - 电流转换威廉希尔官方网站 耗散其余功率：0.72W-0.4W = 0.32W。

您可以想象，如果存在大量的功率损耗，在这么小的空间中增加更多的通道将变得不可持续，这直接增加系统温度，降低可靠性并增加故障。我给出的示例显示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。这样的系统将如图2所示的框图。

在这种威廉希尔官方网站 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—电流转换威廉希尔官方网站 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 = VI= 0.46W，因为降压/升压转换器将VPOS设置为23V。电压 - 电流转换威廉希尔官方网站 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。

DAC8775的效率也导致需要更多的热优化系统。在具有和不具有自适应功率反馈威廉希尔官方网站 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所示为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。从图3可以看出，这种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。DAC8775由于其高集成度和高效率而解决了这两个挑战，并具有出色的DC和漂移性能。

如果芯片温度超过150℃，DAC8775提供过温报警，这是丰富的智能诊断功能的其中一个特色，可帮助早期检测故障。这些包括开路负载、短路、循环冗余校验（CRC）、看门狗定时器和合规电压。除了故障警报之外，设备还允许您选择便于可靠的系统操作的预设操作。您可以告知设备什么都不做、停机或进入预编程的安全码。

审核编辑：何安