以PLC机架插槽的典型I/O卡为例，目前常见的8通道模块尺寸一般为90mm×70mm×23.5mm，但在市场需求驱动下，名片大小的产品已经问世。通道密度或数量的增加不仅能提升模块功能，而且可以增加产品价格竞争力，自然大受欢迎。但是，如何降低模块尺寸?如何在满足上述需求的同时解决由此产生的自热问题?如何进行低功耗设计?这些，也都是PLC系统设计时面对的实际问题。

ADI过程控制系列之《工业现场环路供电仪器仪表的四大关键设计环节》一文，已就现场仪器仪表/变送器的设计需求和挑战进行了深入分析，作为该篇文章的姊妹篇，本文将着重关注PLC/DCS系统中的模拟输入输出部分的发展趋势。这里会将输入和输出模块区分开来，就其不同的系统要求进行分别探讨，并着重介绍ADI能够支持这些要求的最新优势产品和解决方案。

多通道全集成模拟输出解决方案

模拟输出讲究的是集成、能效和性能。首先，模块尺寸要小。目前，设计人员早已通过在产品设计中选用0402封装电阻电容以及LFCSP封装IC，达到减少电路板尺寸的目的。与此同时，每个模块的功耗也由曾经的5W-10W，发展到了如今的3W-5W，未来势必降至更低。在这方面，一些设计人员通过牺牲设计规格来满足功耗预算，此法虽然能达到降低功耗的目的，但势必也会导致产品竞争力下降，因此并不推荐。

其次，通道密度要增加，由原来的4通道、8通道增加至现在的12甚至16通道。众所周知，空间不变而通道密度增加，会显著提升模块的环境温度，在某些情况下，高达100摄氏度的系统环境温度并不罕见，而这本身却会对最高IC结温造成挑战。而且，通道密度的增加还意味着元件数量以及功耗的增加，这也从另一方面要求设计人员在选择元件时，要尺寸更小、静态电流更低而且效率更高。

第三，速度，即建立时间要提高，从而实现工厂自动化。目前，模拟输出通道建立的时间已经降低至20μs，但依然在向更高效率发展。

第四，工艺安全要求也要提高，系统要引入安全完整性等级(SIL)来提高诊断性以及稳定性。

ADI多年来深耕工业控制领域，其提供的模拟输出解决方案从最初的“四通道DAC+外部增益放大器”式全分立方案，发展到“四通道DAC+四个外部驱动器”式半集成方案，再到后来的单通道全集成式解决方案，以及最新的多通道全集成式解决方案，其中涉及AD566x、AD5750、AD5422等多款工程师耳熟能详的芯片产品。

图1所示为ADI工业输出产品的创新发展历程。以现在的眼光来看，早期的分立设计方案毫无疑问存在很多缺陷：器件数量过多造成系统复杂、电路板尺寸过大以及成本过高;多个器件导致误差度随着不同极性系数变化，从而造成总误差难以计算;无法提供短路监测/保护或任何故障诊断;不包括许多工业控制模块中所必须的电压输出等。

正因如此，集成式解决方案毫无疑问更胜一筹。例如AD5422/AD5412单通道16位/12位4mA～20mA和电压输出DAC，就是一款易于部署的解决方案，其紧凑型的封装中集成多种功能，提供完全集成的可编程电流源和可编程电压输出，Iout范围为0/4mA～20 mA以及0 mA～24 mA;Vout范围为0 V～5 V、0 V～10 V、±5 V、±10 V和10%超量程，可以有效简化工厂过程控制和工业系统设计。

AD5755则是一款四通道16位4 mA～20 mA和电压输出DAC，除了将AD5422的单通道增加到四通道外，该产品还增加了动态功率控制功能，这也是业内首款具备动态功率控制功能的数据转换器。新功能不但有利于节能，而且还可以增强过程控制I/O系统的工作稳定性。

图2(左)为系统输出最常见的架构。假设通道配置为4mA～20mA通信，DAC需要驱动一个执行器负载，所以执行器的端接电阻决定环路所需的最大电源电压。如今的系统必须能够驱动最高达(有时甚至超过)1 kΩ的负载，这是很常见的要求。对于这一负载阻抗和20 mA 的满量程电流，电源需要提供至少20V电压。如果考虑到DAC的电源裕量，电源可能升至24V。再考虑到输出级的功率调节，输出级电压较好的估计值为28V。

短路有可能是真实存在的条件，这主要是由于ADC模块可通过低至20欧的电阻值端接，以便检测。因此这样一来，8通道模块仅模拟部分的功耗就可能高于4W，再加上DC-DC级的功耗，如果以80%的效率来计算的话，仅模拟部分的功耗就将大于6W。这种情况下，自热效应和功耗预算的提高开始成为问题。模块内的温度升高可能导致系统误差增大，各个器件的漂移特性需要纳入系统整体的误差预算中加以考虑。

一种有助于解决此问题的方法是从5V电源入手，在内部使用开关电源，根据输出负载情况智能且自动地对MOS管上端的电压进行调节，这就是ADI专有的动态功率控制解决方案。该方案可以检测输出负载，然后在负载变化或编程电流变化时，根据需要动态地升高输出顺从电压，如图2(右)所示，只需在片内集成DC-DC升压转换器即可。

采用5V标称电源运行DC-DC转换器时，输出端的最低调节电压约为7V，而最高电源电压可超过30V，具体取决于需求。注意，这种情况下，需要再次考虑零负载条件，这是电流输出的一种有效条件。图2(右)的实际结果表明，在部署动态功率控制时，每加入一个DC-DC可让每个通道的独立功耗降至最低。在8个通道发生短路的情况，DC-DC将输出调节为7.5 V，从而限制了片内功耗和模块功耗。假设DC-DC隔离级效率仍为80%，使用动态功率控制的8通道模块总功耗则降至3W。

图3很清楚地表明了DC-DC控制启用前和启用后片内温度的对比。其中粉色为不启用DC-DC控制的情形，温升超过200度;蓝色为启用后的情形，温升只有五六十度。事实证明，通过使用动态功率控制功能，设计人员不仅可以确保器件自我保护，而且可以将模块内的功耗降至较低水平。