工业数字模拟转换器:保护三线制模拟输出

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

 

1.减弱与分流策略概览

 

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

 

2.保护电路示例

 

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:

 

  1. TVS二极管的击穿电压很少能匹配供电配置。
  2. 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。

 

相关材料:

 

原文链接:

http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2014/08/12/industrial-dacs-protecting-3-wire-analog-outputs