Рассеиваемая мощность может увеличить температуру настолько, что она выйдет за пределы рекомендуемых эксплуатационных ограничений и может стать серьезной проблемой для систем с большой плотностью каналов или при эксплуатации в условиях высокой температуры окружающей среды.

В качестве примера возьмем ЦАП, который должен обеспечить ток 20 мА на нагрузке в диапазоне от 100 Ом до 1 кОм. В этом случае минимальное напряжение питания должно быть равно 20 вольтам. Максимальная мощность, подаваемая на ЦАП V × I = 20 В × 20 мА = 0,4 Вт. При использовании нагрузки в 1 кОм, вся мощность потребляется нагрузкой, и в результате этого потери отсутствуют. Нагрузка в 100 Ом потребляет всего 0,04 Вт, поэтому 0,36 Вт теряется и рассеивается на чипе. В некоторых случаях, когда нулевая нагрузка также является допустимым явлением, вся тепловая мощность рассеивается на чипе.

Для микросхемы в 64-выводном корпусе LFCSP, максимальная температура кристалла не должна превышать 125 °С. Возьмем микросхему с четырьмя каналами и рассеиванием 0,4 Вт в каждом. В таком случае общая  рассеиваемая мощность составит 1,6 Вт. Тепловое сопротивление корпуса LFCSP-64 равно 28°C/Вт. В предыдущем примере повышение температуры составит P_D × θ_JA = 1,6 Вт × 28°C/Вт = 44,8 °C. Поэтому максимальная допустимая температура окружающей среды составит 80,2 °С. Для решения данной проблемы, могут использоваться радиаторы, но не всегда это возможно из-за ограниченного пространства и дополнительной стоимости.

Динамический контроль мощности (Dynamic Power Control, DPC) напрямую решает эту проблему. DC-DC преобразователь повышает входное питание 5 вольт, до выходного питания от 7,5 В до 29,5 В. Преобразованное питание подается на выходной драйвер ЦАП, который и обеспечивает требуемую мощность в нагрузку. Тогда для нулевой нагрузки, выход преобразователя будет иметь минимальное значение и составит 7,5 В. Максимальная мощность, рассеиваемая ЦАП в этом случае составляет 7,5 В × 20 мА = 0,15 Вт, что дает экономию в 0,25 Вт по сравнению с оригинальным решением.

С DPC, максимальная мощность, рассеиваемая в четырех каналах (каждый из которых короткозамкнут на землю) составляет 0,6 Вт. Повышение температуры в этом случае составит P_D× θ_JA = 0,6Вт × 28 °C/Вт = 16,8 °C. Поэтому допустимая температура окружающей среды повышается до 108,2 °С. DPC обеспечивает максимальную выгоду в системах, имеющих широкий диапазон допустимых нагрузок, высокую плотность каналов и высоких рабочих температур, условий, которые оставляют мало возможностей для необходимого рассеяния тепла.

·         Выход напряжения, от 0 В до 5 В, 0 В до 10 В, ± 5 В, или ±10 В, нескорректированная ошибка (TUE) во всем диапазоне ±0,04%

·         Токовый выход в диапазонах от 0 мА до 20 мА, от 4 мА до 20 мА или от 0 мА до 24 мА, нескорректированная ошибка (TUE) во всем диапазоне ±0,04%

Смещение и усиление можно индивидуально запрограммировать для каждого канала. Устройства могут использовать либо встроенный источник опорного напряжения (5 В, ±5 ppm/°C), либо внешний. Микросхемы доступны в 64-выводном корпусе LFCSP размерами 9 мм × 9 мм × 0,85 мм и специфицированы для работы в температурном диапазоне от -40 °С до +105 °С, ориентировочная цена микросхемы $13,65 за 1000 штук.

На рисунке показана внутренняя структура микросхемы, состоящая из схемы генератора тока, DC-DC преобразователя, и контроллера питания. Когда выход тока включен, контроллер измеряет падение напряжение V_DS^* на выходном FET. Это напряжение управляет режимом MOSFET в блоке управления питанием и, в зависимости от его значения, контролирует входное напряжение V_BOOST, которое в свою очередь определяет V_DS в зависимости от требований к выходному току. Когда MOSFET замкнут, индуктивность накапливает энергию до значения, определяемого разностью между текущим V_DSи требуемым напряжениями. Когда MOSFET разомкнут, ток через индуктивность заряжает емкость на входе V_BOOST. Этот процесс повторяется для каждого такта. И каждому каналу соответствует свой отдельный DC-DC преобразователь.

* V_DS– падение напряжения между истоком и стоком выходного FET транзистора

 

AD5755 с динамическим управлением питанием

ДэвидРайс (ByDavidRice), david.rice@analog.com