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Datenwandler Dynamische Leistungssteuerung minimiert den Leistungsverlust

| Autor / Redakteur: David Rice ist Applikationsingenieur bei Analog Devices in Limerick, Irland. / Kristin Rinortner

Bei D/A-Wandlern in Industrieanwendungen kann beachtliche elektrische Energie umgesetzt werden. Kühlkörper leiten diese Wärme zwar ab, doch können sie aus Platz- und Kostengründen nicht immer eingesetzt werden. Die dynamische Leistungssteuerung (DPC) adressiert diese Problematik direkt.

Bild 1: AD5755 mit dynamischer Leistungssteuerung (Bild: ADI)
Bild 1: AD5755 mit dynamischer Leistungssteuerung (Bild: ADI)
(Bild 1: AD5755 mit dynamischer Leistungssteuerung (Bild: ADI))

Von D/A-Wandlern in Industriesystemen wird erwartet, dass sie ein breites Spektrum an Lasten treiben. Bei der Versorgung von D/A-Wandlern mit einer festen Spannung kann auf dem Chip jedoch eine beachtliche elektrische Energie umgesetzt werden.

Dies gilt speziell bei kleinen Lasten oder bei einem Kurzschluss gegenüber Masse. Aufgrund der aufgenommenen Leistung kann die Temperatur eines DACs über die empfohlenen Grenzen der Betriebstemperatur hinaus ansteigen. Bei Systemen mit hoher Kanaldichte oder für den Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen ist dies unter Umständen problematisch.

Ein Beispiel: Ein D/A-Wandler soll in eine Last mit 100 Ω bis 1 kΩ bis zu 20 mA liefern. In diesem Fall muss die minimale Versorgungsspannung 20 V betragen. Die maximal vom DAC zur Verfügung gestellte Leistung beträgt U × I = 20 V × 20 mA = 0,4 W. Bei einer Last von 1 kΩ wird die gesamte Leistung von der Last aufgenommen und es geht keine Energie verloren. Eine 100-Ω-Last nimmt nur 0,04 W auf. Somit werden 0,36 W verbraucht oder auf dem Chip in Wärme umgesetzt. In manchen Fällen ist eine 0-Ω-Last eine gültige Situation und sorgt dafür, dass die gesamte Leistung auf dem Chip umgesetzt wird.

In einem 64-poligen LFCSP-Gehäuse darf die maximale Umgebungstemperatur 125°C nicht übersteigen. Bei vier Kanälen mit je 0,4 W beträgt die gesamte umgesetzte Leistung 1,6 W. Die thermische Impedanz eines 64-poligen LFCSP beträgt 28°C/W. Im vorigen Beispiel beträgt der Temperaturanstieg PD × θJA = 1,6 W × 28°C/W = 44,8°C. Deshalb darf die Umgebungstemperatur für einen sicheren Betrieb nur maximal 80,2°C betragen. Mit Kühlkörpern lässt sich diese Problematik zwar lösen, doch können sie aus Platz- und Kostengründen nicht immer eingesetzt werden.

Die dynamische Leistungssteuerung (DPC) adressiert diese Problematik direkt. Ein DC/DC-Wandler macht aus einer Eingangsspannung von 5 V eine Ausgangsspannung von 7,5 bis 29,5 V. Diese Ausgangsspannung versorgt den D/A-Wandler mit Stromausgang, der die für die Last erforderliche Leistung zur Verfügung stellt. Bei einer 0-Ω-Last beträgt die Spannung am Ausgang des DC/DC-Wandlers 7,5 V; der niedrigste Wert. Die maximal im DAC umgesetzte Leistung beträgt 7,5 V × 20 mA = 0,15 W. Dies spart 0,25 W.

Mit DPC beträgt die maximale Leistung, die in vier Kanälen umgesetzt wird (jeder Kanal gegen Masse kurzgeschlossen), 0,6 W. Der Temperaturanstieg beträgt PD × θJA = 0,6 W × 28°C/W = 16,8°C. Damit erhöht sich das Temperaturlimit für einen sicheren Betrieb auf 108,2°C. DPC bietet die größten Vorteile in Systemen mit großem, nicht definierten Lastbereich, hoher Kanaldichte und hohen Temperaturen, die nur wenig Verlustleistung umsetzen dürfen.

Der vierkanalige 16 Bit D/A-Wandler AD5755 verfügt über Spannungs- und Stromausgänge SPS, DCS und andere industrielle Prozesssteuerungsapplikationen. Die DPC regelt die Spannung am Ausgangstreiber, minimiert die Verlustleistung bei Widerständen mit niedrigen Werten und vereinfacht das Wärmemanagement. Jeder Kanal kann so konfiguriert werden, dass er folgendes bietet: Spannungsausgang mit 0 bis 5 V, 0 bis 10 V, ±5 V oder ±10 V Vollausschlag und ±0,04% TUE (Total Unadjusted Error); Stromausgang mit 0 bis 20 mA, 4 bis 20 mA oder 0 bis 24 mA Vollausschlag und ±0,05% TUE.

Bild 1: AD5755 mit dynamischer Leistungssteuerung (Bild: ADI) Bild 1: AD5755 mit dynamischer Leistungssteuerung (Bild: ADI)

Offset und Verstärkung lassen sich für jeden Kanal programmieren. Die Bauteile können mit der integrierten 5-V-Referenz mit ±5 ppm/°C oder mit einer externen Referenz verwendet werden. Bild 1 zeigt die Schaltung des Stromausgangs, den DC/DC-Wandler und den Leistungs-Controller. Bei aktiviertem Stromausgang wird UDS des Ausgangs-FET gemessen. Diese Spannung steuert den MOSFET im Leistungssteuerblock, um UBOOST zu regeln. Dies wiederum steuert UDS wie durch die Anforderungen für den Ausgangsstrom festgelegt. Bei eingeschaltetem MOSFET lädt die Induktivität auf einen Wert, der durch die Differenz des tatsächlichen Wertes von UDS und dem erforderlichen Wert bestimmt wird. Im ausgeschalteten Zustand entlädt sich die Spule in den Kondensator und UBOOST-Pin. Dieser Prozess wiederholt sich bei jedem Taktzyklus.