工業(yè)DAC：保護三線制模擬輸出

在上一篇博文中，我討論了集成如何簡化了三線制模擬輸出設(shè)計。本文將介紹保護這些設(shè)計的方法，避免危險的工業(yè)瞬態(tài)過電引起電氣過載。

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首先，我們通過幾個示例了解一下系統(tǒng)所面臨的風(fēng)險：

一些系統(tǒng)安裝或校準于ESD不安全的環(huán)境中，可能會導(dǎo)致ESD損壞。

工業(yè)控制系統(tǒng)通常是跨距較遠的大型系統(tǒng)，可能會遭受雷電電擊等自然風(fēng)險。

開關(guān)瞬態(tài)過電與環(huán)境寄生效應(yīng)結(jié)合后能夠產(chǎn)生高頻輻射和耦合發(fā)射。

需要保護模擬輸出的瞬態(tài)過電與其產(chǎn)生的低壓（＜24V）和低頻率（＜10kHz）信號差異巨大。工業(yè)瞬態(tài)過電為高壓（高達15kV）、高頻率（通常時間短于100ns）。您的電路應(yīng)當(dāng)利用這些差別提供保護，同時不影響模擬輸出的信號質(zhì)量。

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減弱策略

l?? 此方法采用被動元件（電阻、電容、磁珠）減弱電壓突變幅度，限制電流

l?? 保護水平取決于預(yù)見輸入信號幅度、頻率和形狀的能力

l?? IR降會影響DC精度

l?? 電容過多會限制帶寬

分流策略

l?? 此方法使用電壓鉗位（TVS二極管、肖特基二極管）

l?? 這些元器件鉗位輸入電壓，從集成電路中分流能量

l?? 不限制電流

l?? 寄生電容、漏電流與響應(yīng)時間會增加設(shè)計的復(fù)雜程度

圖 1.減弱與分流策略概覽

減弱和分流策略可用于解決工業(yè)瞬態(tài)過電的高頻和高壓問題。圖2為采用上述策略的保護電路，保護用于4-20mA電流回路應(yīng)用的單通道、16位DAC8760。

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圖 2.保護電路示例

減弱策略采用對頻率作出響應(yīng)的被動元件，如磁珠和電容，減弱高頻信號。圖2中，每個輸出端的100nF電容與瞬態(tài)過電發(fā)生器源阻抗相互作用，減弱高頻信號。

我在電路的每一級之間加入了串聯(lián)通路元件，限制鉗位到不同電壓電位節(jié)點之間的電流。我使用電阻作為電流輸出和電壓輸出內(nèi)部節(jié)點的串聯(lián)通路元件。磁珠作為反饋回路外部電壓輸出電路的串聯(lián)通路元件，保持DC精度，限制高頻電流。

分流策略使用二極管將模擬信號鏈中的高壓信號分流出去?？梢允褂肨VS二極管將能量導(dǎo)至大地或者使用肖特基二極管將能量導(dǎo)至供電軌。

如欲了解更多TVS二極管的相關(guān)信息，建議閱讀我的同事Art Kay的系列博文，其中解釋了多個關(guān)鍵參數(shù)并提供了選擇建議。

簡而言之，應(yīng)當(dāng)根據(jù)以下幾個方面選擇TVS二極管：

工作電壓：在不導(dǎo)通顯著電流的情況下，二極管所能承受的最大電壓。該電壓應(yīng)當(dāng)高到確保二極管不影響電路正常工作。

擊穿電壓：TVS開始導(dǎo)電的電壓。擊穿電壓應(yīng)當(dāng)?shù)偷奖ＷC瞬態(tài)過壓在供電軌的范圍之內(nèi)。

額定功率：當(dāng)二極管被擊穿時，二極管將產(chǎn)生較大的功率，需要確定相應(yīng)的額定功率。

圖2還含有一個采用肖特基二極管的鉗位至軌級，幫助將瞬態(tài)過電保持在供電軌范圍之內(nèi)，這樣做的原因有兩個：

TVS二極管的擊穿電壓很少能匹配供電配置。

隨著流過TVS電流的增加，其擊穿電壓也會增加。

肖特基二極管應(yīng)當(dāng)具有較低的正向電壓，甚至是在導(dǎo)通高電流時，保護電路中使用的二極管也要保持低正向電壓。

圖2中的電路針對TIPD153而開發(fā)，為經(jīng)過認證的TI精度設(shè)計，用于保護DAC8760進行IEC6100-4 標準測試。欲了解元件選擇、布局指南和IEC6100-4測試結(jié)果的更多信息，請下載參考設(shè)計指南。

如果您有關(guān)于如何保護三線制模擬輸出的任何問題，請在下面評論區(qū)留言。下個月一定要記得閱讀新文章，我將解釋如何設(shè)計穩(wěn)定的二線制4-20mA變送器。

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觀看視頻模擬輸入/輸出模塊抗瞬態(tài)過電，了解我關(guān)于IEC61000-4測試的解釋。

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