保护三线制模拟输出设计的方法

工业DAC：保护三线制模拟输出

在上一篇博文中，我讨论了集成如何简化了三线制模拟输出设计。本文将介绍保护这些设计的方法，避免危险的工业瞬态过电引起电气过载。


首先，我们通过几个示例了解一下系统所面临的风险：

• 一些系统安装或校准于ESD不安全的环境中，可能会导致ESD损坏。
• 工业控制系统通常是跨距较远的大型系统，可能会遭受雷电电击等自然风险。
• 开关瞬态过电与环境寄生效应结合后能够产生高频辐射和耦合发射。
  

需要保护模拟输出的瞬态过电与其产生的低压（＜24V）和低频率（＜10kHz）信号差异巨大。工业瞬态过电为高压（高达15kV）、高频率（通常时间短于100ns）。您的电路应当利用这些差别提供保护，同时不影响模拟输出的信号质量。

减弱策略 l   此方法采用被动元件（电阻、电容、磁珠）减弱电压突变幅度，限制电流 l   保护水平取决于预见输入信号幅度、频率和形状的能力 l   IR降会影响DC精度 l   电容过多会限制带宽

分流策略 l   此方法使用电压钳位（TVS二极管、肖特基二极管） l   这些元器件钳位输入电压，从集成电路中分流能量 l   不限制电流 l   寄生电容、漏电流与响应时间会增加设计的复杂程度

减弱和分流策略可用于解决工业瞬态过电的高频和高压问题。图2为采用上述策略的保护电路，保护用于4-20mA电流回路应用的单通道、16位DAC8760。




减弱策略采用对频率作出响应的被动元件，如磁珠和电容，减弱高频信号。图2中，每个输出端的100nF电容与瞬态过电发生器源阻抗相互作用，减弱高频信号。

我在电路的每一级之间加入了串联通路元件，限制钳位到不同电压电位节点之间的电流。我使用电阻作为电流输出和电压输出内部节点的串联通路元件。磁珠作为反馈回路外部电压输出电路的串联通路元件，保持DC精度，限制高频电流。

分流策略使用二极管将模拟信号链中的高压信号分流出去。可以使用TVS二极管将能量导至大地或者使用肖特基二极管将能量导至供电轨。

如欲了解更多TVS二极管的相关信息，建议阅读我的同事Art Kay的系列博文，其中解释了多个关键参数并提供了选择建议。

简而言之，应当根据以下几个方面选择TVS二极管：

• 工作电压：在不导通显著电流的情况下，二极管所能承受的最大电压。该电压应当高到确保二极管不影响电路正常工作。
• 击穿电压：TVS开始导电的电压。击穿电压应当低到保证瞬态过压在供电轨的范围之内。
• 额定功率：当二极管被击穿时，二极管将产生较大的功率，需要确定相应的额定功率。
  

图2还含有一个采用肖特基二极管的钳位至轨级，帮助将瞬态过电保持在供电轨范围之内，这样做的原因有两个：

• TVS二极管的击穿电压很少能匹配供电配置。
• 随着流过TVS电流的增加，其击穿电压也会增加。
  

肖特基二极管应当具有较低的正向电压，甚至是在导通高电流时，保护电路中使用的二极管也要保持低正向电压。

图2中的电路针对tiPD153而开发，为经过认证的TI精度设计，用于保护DAC8760进行IEC6100-4 标准测试。欲了解元件选择、布局指南和IEC6100-4测试结果的更多信息，请下载参考设计指南。

如果您有关于如何保护三线制模拟输出的任何问题，请在下面评论区留言。下个月一定要记得阅读新文章，我将解释如何设计稳定的二线制4-20mA变送器。