具有HART的完全隔离、单通道电压、4 mA至20 mA输出的电路

电路功能与优势

该电路提供一款完整的、完全隔离、模拟输出通道，适合需要标准4mA至20 mA HART®1-兼容型电流输出和单极性/双极性输出电压范围的可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)模块。它为通道间隔离PLC/DCS输出模块或其他所有需要完全隔离式模拟输出的工业应用提供了灵活的构建块。电路在模拟输出端还提供了外部保护功能。

AD5422 16位数模转换器(DAC)可通过软件配置，提供全部必须的电流和电压输出。

AD5700-1是业界功耗最低、尺寸最小的 HART兼容型IC调制解调器，与 AD5422配合使用，组成完整的HART兼容型4 mA至20 mA解决方案。 AD5700-1集成内部精密振荡器，可额外节省空间，尤其在通道间隔离应用中。

PLC/DCS 解决方案必须与本地系统控制器隔离，使之免受接地环路影响，同时确保不受外部事件影响。传统解决方案利用分立IC提供电源和数字隔离。当需要多通道隔离时，分立电源解决方案的成本和空间会变成一个大大的缺点。基于光隔离器的解决方案通常具有合理的输出调节，但需要额外的外部元件，因而会使电路板面积增大。电源模块常常体积庞大，而且输出调节可能不佳。图1中的电路使用 ADuM347x系列隔离器和电源调节电路，以及相应的反馈隔离。使用外部变压器将功率传输到隔离栅的另一端。

ADuM3482为 AD5700-1提供UART信号隔离。

ADP2441, 是36 V降压DC-DC稳压器，采用工业标准24 V电源，具有宽输入电压容差。它可将电压降为5 V，为所有控制器侧电路供电。该电路还在24 V电源端集成了标准外部保护，同时还可提供+36 V至−28 V的直流过压保护。

图1.功能框图(原理示意图：未显示所有连接和去耦)

　　电路描述

　　模拟输出

对于工业控制模块，标准模拟输出电压和电流范围包括 ±5 V 、 ±10 V 、 0 V 至 +5 V 、 0 V 至 +10 V 、 +4 mA 至 +20 mA 和 0 mA 至 +20 mA 。 AD5422是一款精密的、全集成 16 位 DAC ，内置可编程电流源和可编程电压输出，设计用于满足工业过程控制应用的需要。

AD5422提供前面列出的所有输出范围，电流输出范围和电压输出范围分别以独立引脚提供。针对所有电压范围提供 10% 超量程功能，并且针对电流输出提供 0 mA 至 20 mA 超量程。模拟输出受短路和开路保护。

AD5422具有一个片上 10 ppm/°C 基准电压源。为了在额定温度范围内达到更高的性能，该设计使用了 ADR02 基准电压源。 ADR02是一款 5 V 精密基准电压源，允许高达 36 V 的输入电压。其最大精度误差为 0.05% ，最大温度漂移为 3 ppm/°C 。该漂移在工业温度范围内会贡献大约 0.02% 误差。

AD5422支持以内部或外部精密电流设置电阻作为电流输出电路。本设计使用内部电流检测电阻选项;但通过使用精密外部 15 kΩ电阻，可达到更高的精度。

通过浮空 AD5422的 DV CC SELECT 引脚，内部 4.5 V 电源可连接至 DV CC 引脚，用于 AD5700-1的数字电源和隔离器的现场端。也可使用 ADuM3471上的 5 V 输出型低压差 (LDO) 稳压器。 LDO 提供更紧凑的 5 V 稳压供电轨;但由于 ADuM3471稳压器输入引脚上的绝对最大额定值，它不允许高于 20 V 的直流过压。

EVAL-CN0321-SDPZ硬件的输出连接器配置见表 1

　　HART 兼容性

AD5700-1与 AD5422搭配使用，组成完整的 HART 兼容型 4 mA 至 20 mA 解决方案。 AD5700-1是 0.5% 精密内部振荡器，可极大节省在通道间隔离的应用中的板上空间;这类应用原本需要针对每通道使用时钟晶体。晶体通常比 AD5700-1 IC 本身要大;因此，内部振荡器节省下来的面积空间是巨大的。

HART 调制解调器输出通过 C1 和 C2 衰减，并通过 CAP2 引脚交流耦合至 AD5422。其他信息参见 AN-1065 应用笔记 . Circuit Note CN-0278。电路笔记CN-0278 描述了一种使用 R SET 引脚的替代 HART 耦合方式，具有更高的电源抑制性能，但需要使用一个外部精确电流设置电阻。

　　隔离电源

AD5422需要的电压输出裕量最大值为 0.8 V ，并且电流输出需要最大值为 2.5 V 的裕量。因此，需要一个大于 12.5 V 的电源，以便通过 500Ω负载输出 20 mA 电流。在本设计中，最小电源电压 ( 过温 ) 不超过 13.5 V ，允许具有一定裕量。

ADuM347x为四通道数字隔离器，集成脉冲宽度调制 (PWM) 控制器和低阻抗变压驱动器 (X1 和 X2) 。隔离式 DC/DC 转换器仅需要以下额外器件：变压器和简单的全波二极管整流器。采用 5.0 V 或 3.3 V 输入电源时，器件最多可提供 2 W 的调节隔离功率，因而无需另外使用隔离式 DC-DC 转换器。

i Coupler® 芯片级变压器技术用于隔离逻