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

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