工業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計。本文將介紹保護這些設計的方法，避免危險的工業瞬態過電引起電氣過載。

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首先，我們通過幾個示例了解一下系統所面臨的風險：

一些系統安裝或校準于ESD不安全的環境中，可能會導致ESD損壞。

工業控制系統通常是跨距較遠的大型系統，可能會遭受雷電電擊等自然風險。

開關瞬態過電與環境寄生效應結合后能夠產生高頻輻射和耦合發射。

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

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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、漏電流與響應時間會增加設計的復雜程度

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瞬態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電容與瞬態過電發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通路元件，限制鉗位到不同電壓電位節點之間的電流。我使用電阻作為電流輸出和電壓輸出內部節點的串聯通路元件。磁珠作為反饋回路外部電壓輸出電路的串聯通路元件，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。可以使用TVS二極管將能量導至大地或者使用肖特基二極管將能量導至供電軌。

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

簡而言之，應當根據以下幾個方面選擇TVS二極管：

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

擊穿電壓：TVS開始導電的電壓。擊穿電壓應當低到保證瞬態過壓在供電軌的范圍之內。

額定功率：當二極管被擊穿時，二極管將產生較大的功率，需要確定相應的額定功率。

圖2還含有一個采用肖特基二極管的鉗位至軌級，幫助將瞬態過電保持在供電軌范圍之內，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。

肖特基二極管應當具有較低的正向電壓，甚至是在導通高電流時，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，為經過認證的TI精度設計，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測試結果的更多信息，請下載參考設計指南。

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

相關材料：

觀看視頻模擬輸入/輸出模塊抗瞬態過電，了解我關于IEC61000-4測試的解釋。

觀看視頻，了解如何設計模擬輸入/輸出模塊保護電路。