對于電路保護(hù)：模擬輸出多少才足夠？

模擬輸出驅(qū)動工廠和工廠中的電機(jī)和執(zhí)行器。它們是可編程邏輯控制器 （PLC） 中的最后一個(gè)控制步驟。輸出放大器通常驅(qū)動0至10V和4至20mA電路。它們需要針對高壓電機(jī)故障、靜電放電 （ESD）、電磁干擾 （EMI）、電磁敏感性 （EMS） 和射頻干擾 （RFI） 提供保護(hù)。建議使用許多電路來滿足應(yīng)用要求。

保護(hù)取決于需要保護(hù)的內(nèi)容及其價(jià)值。這很像錢。有人曾經(jīng)告訴我，“如果現(xiàn)金是你的，就沒有零用錢。經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師知道，正是小事導(dǎo)致了最大的問題。這種情況已經(jīng)持續(xù)了很長時(shí)間。諺語“想要釘子”可以追溯到公元1200年代初，甚至本杰明富蘭克林也在1758年出版了一個(gè)版本1.作為工程師，我們明白我們不能總是解決每一件事，但有時(shí)人們想要仰望工程師2并認(rèn)為我們是超人，這使得圖 1 中的經(jīng)文有點(diǎn)滑稽。

圖1.三期漫畫書《正義聯(lián)盟美國：釘子》中的一句諺語3.

漫畫系列描述了一個(gè)不存在超人的世界。一顆釘子刺穿了馬和帕肯特的卡車輪胎，耽誤了他們，所以他們永遠(yuǎn)找不到嬰兒超人的宇宙飛船。這個(gè)小小的變化意味著孩子不會成長為超人，世界永遠(yuǎn)處于危險(xiǎn)之中。?

有時(shí)模擬輸出電路保護(hù)會有這種感覺，因?yàn)槲覀儾皇浅?。我們試圖涵蓋絕大多數(shù)情況，但我們擔(dān)心導(dǎo)致故障的一件小事會在第一次使用時(shí)被第一個(gè)客戶注意到。這實(shí)際上是墨菲定律的變體，所有可能出錯(cuò)的東西都會出錯(cuò)。

具有替代傳輸方式的模擬輸出（保護(hù)）

隨著工業(yè)革命的成熟，有多種手段可用于執(zhí)行相同的功能。在達(dá)芬奇的時(shí)代，木制齒輪和螺釘、桿、杠桿和擒縱機(jī)構(gòu)使受控運(yùn)動成為可能。在蒸汽輪時(shí)代，活塞、桿、杠桿和調(diào)速器使工程師能夠執(zhí)行更多任務(wù)。在20世紀(jì)，電動機(jī)，執(zhí)行器和接觸器（繼電器）開始由傳感器和開關(guān)控制。很快，微處理器成為控制系統(tǒng)的大腦，從傳感器獲取信息并將模擬輸出轉(zhuǎn)化為行動。一個(gè)共同的等價(jià)物在控制工廠時(shí)變得有用。對于工程師來說，0 到 10V 的電壓等于 4 到 20mA 的電流，這與每平方英寸 （psi） 3 到 15 磅的氣動系統(tǒng)相同。最近，我們增加了其他串行通信方式，包括無線通信方式，用于模擬輸出和執(zhí)行器之間的通信。

模擬輸出電路保護(hù)涵蓋多種情況。了解環(huán)境和應(yīng)用有助于我們決定應(yīng)該采取哪些措施來保護(hù)模擬輸出。讓我們從檢查第一個(gè)也是最簡單的應(yīng)用程序開始。

有一個(gè)輸出電路，在距離它的幾英尺內(nèi)有一個(gè)它將要控制的低壓執(zhí)行器。它們使用相同的電源運(yùn)行，并且在室內(nèi)，在相當(dāng)溫和的辦公環(huán)境中不受天氣影響。第二個(gè)環(huán)境（仍然在室內(nèi)）在幾百英尺外的溫控工廠中有一個(gè)執(zhí)行器。在極端情況下，輸出驅(qū)動器與執(zhí)行器在暴露于雪、高濕度夏季和雷暴的空曠場地中物理上相隔約一公里（0.7 英里）。對于沒有經(jīng)驗(yàn)的工程師來說，擔(dān)心的是設(shè)備保護(hù)是否足夠或太少，以及它是否具有成本效益。

處理上述三種應(yīng)用的實(shí)用方法，首先，附近的室內(nèi)執(zhí)行器可以由0至10V控制。由于它就在附近，因此對靜電放電 （ESD）、電磁干擾 （EMI）、電磁敏感性 （EMS） 和射頻干擾 （RFI） 的保護(hù)量可能最小化。在第二種情況下，幾百英尺的距離將是4至20mA電流環(huán)路的候選者，因?yàn)樗畲笙薅鹊販p少了EMI、RFI和ESD拾取。最困難的是有熱量、雪和閃電的地方，這可能適合采用混合方法。如果附近有建筑物，可以安裝轉(zhuǎn)換器或安裝4至20mA電流環(huán)路作為建筑物的管道。從那里，通往執(zhí)行器的 3psi 至 15psi 氣動管路將允許在惡劣條件下進(jìn)行控制，包括閃電。

設(shè)計(jì)方法

根據(jù)應(yīng)用的不同，設(shè)計(jì)理念可以采取兩條截然不同的路徑。如圖2所示，路徑A按原樣采用模擬輸出板并提供零保護(hù)?；蛘咴诼窂紹中，添加所有模擬保護(hù)電路，如圖所示。一些模擬輸出保護(hù)電路是相互沖突的替代“或”選擇。應(yīng)用通常會采取一些中間立場，并包含圖2保護(hù)的子集。

圖2.20%/80%接口電路應(yīng)用于模擬輸出電路，以防止不必要的電氣漏洞。

為什么會出現(xiàn)這種情況可以通過描述幾個(gè)應(yīng)用程序來最好地說明。工業(yè)設(shè)備的許多考慮因素中的兩個(gè)是“平均故障前時(shí)間”（MTBF）和“平均修復(fù)時(shí)間”（MTTR）。對于集成電路制造商來說，理想的目標(biāo)是制造完全自測的芯片。在工廠和現(xiàn)場上電時(shí)，該部件會完全自我測試，并打開一點(diǎn)綠燈說：“我很好。這是一個(gè)好主意，但可能不切實(shí)際。例如，額外的測試電路占用的空間是電路本身的五倍。測試成本得以節(jié)省，但額外硅片和MTBF的成本是否合理？這是一個(gè)好的投資回報(bào)嗎？答案可能是否定的。電路故障頻率高出五倍可能不是一個(gè)好的權(quán)衡，但在另一個(gè)應(yīng)用中可能沒問題。比較沒有人可以在沒有巨額成本的情況下修復(fù)的電路，例如太空探測器和衛(wèi)星。也許一條賽道位于山頂上，那里的積雪每年有三個(gè)月無法進(jìn)入。也許電路位于生命攸關(guān)的設(shè)備（如飛機(jī)）中，或者該電路可能很容易被人類技術(shù)人員訪問。在每種情況下，都可以與MTTR交換不同級別的冗余改進(jìn)MTBF。

為了深入了解兩個(gè)工業(yè)可編程邏輯控制（PLC）應(yīng)用，讓我們討論一個(gè)案例，其中電路板A與人類24/7在控制室中，在另一種情況下，電路板B被隔離在一個(gè)對人類來說太危險(xiǎn)的地方。首先，在這兩種情況下，我們決定通過數(shù)字隔離來限制系統(tǒng)指令。換句話說，所有輸入和輸出端口都包含隔離電源和數(shù)字隔離。這可以防止輸出或輸入上的破壞性高電壓傳播到整個(gè)系統(tǒng)并破壞整個(gè)系統(tǒng)。在情況 A 中，通過輕松更換電路板，MTTR 較低。但是，MTBF 可能不支持廣泛的保護(hù)電路，并導(dǎo)致早期故障。在這種情況下，可能需要零或次要保護(hù)電路?？赡苡性S多自我修復(fù)保護(hù)電路，甚至電路重復(fù)或一式三份。投票選擇好的電路變得很重要。投票是指關(guān)鍵或生命保護(hù)系統(tǒng)中的冗余。例如，美國航天飛機(jī)設(shè)計(jì)有三臺導(dǎo)航計(jì)算機(jī)來發(fā)射火箭和推進(jìn)器。但是，如果一臺計(jì)算機(jī)產(chǎn)生不同的結(jié)果，則兩臺好計(jì)算機(jī)將投票并忽略有故障的計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)在讓我們回到一些眾所周知的電路保護(hù)原理，這些原理提供了用于模擬輸出保護(hù)的多個(gè)重疊概念。查看圖 2，ESD、EMI、EMS 和 RFI 器件4, 5可分為三類：

限壓器件：氣體放電放電器、金屬氧化物壓敏電阻、抑制二極管、三端雙向可控硅、變音和開關(guān)。

限流和開關(guān)器件：保險(xiǎn)絲、斷路器和熱斷路器

濾波器、上升時(shí)間減速器：電阻器、電感器、線圈、鐵氧體磁珠和電容器，所有這些都會減慢瞬態(tài)的上升時(shí)間，并隨著時(shí)間的推移傳播脈沖，從而使其他保護(hù)器件有時(shí)間發(fā)揮作用。低通濾波器還充當(dāng)DAC輸出的重建濾波器。每個(gè)電容器的工作電壓和自諧振點(diǎn)需要與應(yīng)用的頻率和帶寬相匹配。這些網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)都是互惠的;它們保護(hù)系統(tǒng)免受外部世界 （EMS） 的影響，并保護(hù)外部世界免受設(shè)備可能輻射的任何意外信號 （EMI） 的影響。

考慮到這一點(diǎn)，讓我們研究圖 2。反向工作，從右側(cè)的輸出開始，向左側(cè)的輸入開始。圖2用于保護(hù)單極性系統(tǒng)，其中電壓從地電壓變?yōu)楦邏?。如果輸出?qū)動器可以處理雙極性輸出、地上和地下電壓，則可以通過將其倒置并連接兩個(gè)接地來保護(hù)地上和地下來重復(fù)圖2。

F1，保護(hù)保險(xiǎn)絲，表示保險(xiǎn)絲、自復(fù)位斷路器或熱斷路器。F1的替代品是PTC1（正溫度系數(shù)）聚合物或陶瓷器件（不要忘記它們需要電流才能工作）或SW1，這是一種高壓信號線保護(hù)器。這是一個(gè)感應(yīng)高壓的開關(guān)，關(guān)閉串聯(lián)開關(guān)，然后打開箝位以降低放大器的電壓量。D5是一個(gè)限流二極管，看起來像一個(gè)JFET，源極和漏極端子連接在一起。R4和R5是衰減高故障電壓以保護(hù)輸出驅(qū)動器的電阻。FB1可縮短脈沖上升時(shí)間并及時(shí)加寬脈沖，以降低EMI和ESD。

NE1是一種霓虹燈，可以用氣體放電放電放電管或瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）代替或增強(qiáng)，TVS是一種將電壓鉗位到已知值的專用二極管。也可以使用其他限壓器件、金屬氧化物壓敏電阻 （MOV）、齊納抑制二極管、三端雙向可控硅和 diac。

電容器是濾波功能的一部分。C1、C2和C3將高頻分流至地RFI，并集成ESD脈沖，從而縮短其上升時(shí)間。形成更好的RC低通重建濾波器（具有附加極點(diǎn)）的電阻和電容包括R2和C3、R1和C2）。當(dāng)電感L1取代R1、L1和C2（2極）或L1、C1和C2（3極）時(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)具有額外衰減的低通重建濾波器。R1和R3用作濾波器端接電阻。

二極管 D1–D4 是 ESD 保護(hù)二極管，用于箝位放大器輸入至電源。D3和D4是硅箝位二極管（0.6V至0.7V正向電壓）。高速信號二極管用于低電流，較大的硅箝位二極管是用于較大電流的通用整流器（注意電壓和額定功率）。二極管 D1 和 D2 是肖特基箝位二極管，正向電壓為 0.25V 至 0.3V，可更緊密地箝位到電源軌。電阻R1、R2、R3和R4限制上述ESD箝位二極管中的電流。

請注意ESD二極管D1和D3上方的警告。通過二極管的ESD電壓將試圖提高電源電壓。如果負(fù)載相對較大，電源穩(wěn)壓器將暫時(shí)降低其電流貢獻(xiàn)，這些額外的能量必須流向某個(gè)地方。這允許負(fù)載耗散能量。其他電源可能同時(shí)能夠提供電流和吸收電流，因此它們可以在將電源電壓保持在適當(dāng)水平方面發(fā)揮積極作用。請注意模擬輸出板輸出驅(qū)動器上的電源，當(dāng)ESD二極管D1和D3的電源電流使VCC或電源軌不會過高時(shí)，齊納DA將正向偏置。模擬輸出板的二極管DB對負(fù)電源軌的作用相同。

最后， 應(yīng)用， 電路成本， 可靠性， 電路板更換的難易程度， 和設(shè)計(jì)理念將決定應(yīng)用多少保護(hù).我們不是超人，我們不能向超級英雄尋求幫助。充其量，我們希望提供一份可能性清單，以幫助思考過程并幫助確?？紤]最可能的條件。有意識地決定包含或排除電路元件比以后因?yàn)槭孪葲]有想到某些事情而感到驚訝要好得多。

審核編輯：郭婷