工業(yè)DAC：保護(hù)三線制模擬輸出

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

首先，我們通過(guò)幾個(gè)示例了解一下系統(tǒng)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)：

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

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

開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)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(hù)模擬輸出的瞬態(tài)過(guò)電與其產(chǎn)生的低壓（＜24V）和低頻率（＜10kHz）信號(hào)差異巨大。工業(yè)瞬態(tài)過(guò)電為高壓（高達(dá)15kV）、高頻率（通常時(shí)間短于100ns）。您的電路應(yīng)當(dāng)利用這些差別提供保護(hù)，同時(shí)不影響模擬輸出的信號(hào)質(zhì)量。

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(guò)電的高頻和高壓?jiǎn)栴}。圖2為采用上述策略的保護(hù)電路，保護(hù)用于4-20mA電流回路應(yīng)用的單通道、16位DAC8760。

圖2.保護(hù)電路示例

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

我在電路的每一級(jí)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(diǎn)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(diǎn)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(hào)鏈中的高壓信號(hào)分流出去。可以使用TVS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(gè)關(guān)鍵參數(shù)并提供了選擇建議。

簡(jiǎn)而言之，應(yīng)當(dāng)根據(jù)以下幾個(gè)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(kāi)始導(dǎo)電的電壓。擊穿電壓應(yīng)當(dāng)?shù)偷奖ＷC瞬態(tài)過(guò)壓在供電軌的范圍之內(nèi)。

額定功率：當(dāng)二極管被擊穿時(shí)，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(gè)采用肖特基二極管的鉗位至軌級(jí)，幫助將瞬態(tài)過(guò)電保持在供電軌范圍之內(nèi)，這樣做的原因有兩個(gè)：

TVS二極管的擊穿電壓很少能匹配供電配置。

隨著流過(guò)TVS電流的增加，其擊穿電壓也會(huì)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(shí)，保護(hù)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(duì)TIPD153而開(kāi)發(fā)，為經(jīng)過(guò)認(rèn)證的TI精度設(shè)計(jì)，用于保護(hù)DAC8760進(jìn)行IEC6100-4 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。欲了解元件選擇、布局指南和IEC6100-4測(cè)試結(jié)果的更多信息，請(qǐng)下載參考設(shè)計(jì)指南。

審核編輯：何安