如何設(shè)計(jì)帶過壓保護(hù)的完整RTD模塊

Q、是否能設(shè)計(jì)一個(gè)帶過壓保護(hù)的完整 RTD 模塊呢？

A、RTD（電阻溫度檢測(cè)器）具有出色的穩(wěn)定性和精度，有較強(qiáng)的抗干擾能力。RTD傳感器包括2線、3線和4線版本，通過電流激勵(lì)能產(chǎn)生輸出電壓。AD7124-4/AD7124-8集成了兩個(gè)匹配良好的電流源、PGA、基準(zhǔn)電壓緩沖器和診斷功能，非常適合高可靠性RTD模塊。

在工業(yè)環(huán)境中，不當(dāng)操作、錯(cuò)誤的連接線和裸露的導(dǎo)線通常會(huì)導(dǎo)致過壓故障，這會(huì)損壞電子器件，造成不良后果。過壓保護(hù)能力是RTD模塊的一項(xiàng)關(guān)鍵要求。除瞬態(tài)過壓保護(hù)之外，實(shí)際生產(chǎn)過程中還必須考慮持續(xù)過壓保護(hù)。

本文重點(diǎn)說明如何為具有過壓保護(hù)功能的多線RTD模塊（基于AD7124）提供全面解決方案，并介紹帶有過壓保護(hù)和檢測(cè)功能的多路復(fù)用器及通道保護(hù)器。本文可以幫助設(shè)計(jì)人員了解此方法并選擇合適的器件。

rong針對(duì)持續(xù)的過壓保護(hù)功能

在 ADC 引腳前面使用串聯(lián)電阻有助于輕松保護(hù) AD7124。這些引腳包括模擬輸入和激勵(lì)輸出引腳，但電阻會(huì)限制順從電壓。

電流源的保護(hù)可以通過分立元件實(shí)現(xiàn)。該解決方案可實(shí)現(xiàn)更高的過壓保護(hù)和更大的順從電壓范圍。但是，模擬開關(guān)與多路復(fù)用器仍然暴露在外。

ADI 公司的帶過壓保護(hù)和檢測(cè)功能的多路復(fù)用器及通道保護(hù)器（ADG52xxF 和 ADG54xxF）可用于 RTD 模塊保護(hù)和不同線數(shù) RTD 傳感器切換。這些器件在有電和無電模式下均可提供 ±55V 故障電壓保護(hù)，并能實(shí)現(xiàn)防閂鎖的故障檢測(cè)。其高密度封裝占用的 PCB 面積要比傳統(tǒng)解決方案小得多。

基于 AD7124 的 RTD 模塊

比率測(cè)量法被廣泛的用于 RTD 模塊，因?yàn)樗芟?lì)電流源的誤差和漂移。圖 1 是基于 AD7124-8 的 4 線 RTD 測(cè)量的典型示意圖。

圖1. 基于AD7124-8的4線RTD比率測(cè)量

AIN0提供激勵(lì)電流，AD7124集成了基準(zhǔn)電壓緩沖器和PGA，REFIN及AIN都是高阻抗輸入，因此會(huì)有相同電流流過RTD傳感器和基準(zhǔn)電阻。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果是輸入電壓(VRTD)和基準(zhǔn)電壓(VREF)之比，其等于RRTD和RREF之比。如果RREF是已知的高精度且穩(wěn)定的基準(zhǔn)電阻，則可通過RREF值和ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果計(jì)算RRTD。

采用4線RTD配置，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精度和高可靠性，并且可以消除引線電阻引起的誤差。相應(yīng)地，其成本高于3線或2線配置。3線RTD傳感器有較高的性價(jià)比，圖2顯示了基于AD7124的3線RTD測(cè)量方案。

圖2.基于AD7124-8的3線RTD比率測(cè)量

兩個(gè)集成的、匹配良好的電流源有助于3線RTD測(cè)量。VREF和VRTD可以用以下兩個(gè)函數(shù)表示：

AD7124集成了兩個(gè)匹配良好的電流源，這意味著IEXC0接近或等于IEXC1，并且引線電阻RL1和RL2非常相似。上述函數(shù)可表示為：

轉(zhuǎn)換結(jié)果可以用以上兩個(gè)函數(shù)表示為：

根據(jù)此函數(shù)，RTD電阻值可通過轉(zhuǎn)換結(jié)果和基準(zhǔn)電阻值計(jì)算。

對(duì)于2線RTD，引線電阻引起的誤差無法抵消，但此類RTD傳感器的成本低于其他傳感器；AD7124-8可配置為2線RTD傳感器，如圖3所示。

圖3.基于AD7124-8的2線RTD比率測(cè)量

在實(shí)踐中，許多工業(yè)客戶要求用RTD模塊的同一端口連接許多不同類型的RTD傳感器，以方便平衡RTD傳感器的成本和性能。圖4顯示了RTD模塊的通用接口，它可以支持不同線數(shù)的RTD傳感器。

圖4. 不同線數(shù)傳感器的RTD接口

對(duì)于這一要求，此類RTD模塊需要通過軟件加以配置來支持不同線數(shù)的RTD傳感器。圖5顯示了基于AD7124-8和開關(guān)的不同線數(shù)RTD傳感器的框圖。AD7124-8支持4通道、2線/3線/4線RTD測(cè)量。

圖5.基于AD7124-8的不同線數(shù)RTD傳感器測(cè)量

針對(duì)不同傳感器，使用控制器可以輕松更改配置。表1顯示了不同配置下的開關(guān)和電流源狀態(tài)。

表1.不同線數(shù)RTD傳感器的開關(guān)和IEXT狀態(tài)

通過計(jì)算選擇合適的電阻和電容值，可以優(yōu)化噪聲性能。ADI 官網(wǎng)文章《RTD比率溫度測(cè)量的模擬前端設(shè)計(jì)考慮》可用作指南。除了優(yōu)化噪聲性能之外，還需要一些額外的措施來實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。

首先，AD7124的某些模擬引腳直接暴露在外部環(huán)境中，根據(jù)AD7124在25°C下的絕對(duì)最大額定值，模擬輸入電壓應(yīng)介于–0.3V至AVDD+0.3V之間，這意味著發(fā)生高過壓時(shí)，該模塊無法提供保護(hù)。其次，三個(gè)開關(guān)需要承受高壓。

增加限流電阻

在AD7124的每個(gè)引腳上增加限流電阻可以為AD7124提供過壓保護(hù)。

圖6顯示了AD7124的模擬引腳架構(gòu)。每個(gè)模擬引腳上有兩個(gè)鉗位二極管，我們可以利用這些二極管直接實(shí)現(xiàn)保護(hù)，而不會(huì)引入任何其他漏電流。

圖6.AD7124-8模擬引腳內(nèi)部架構(gòu)

圖7顯示了該方法的示意圖，R1至R4分別位于AIN1、AIN2、REF+和REF–的前面。此設(shè)置用于消除噪聲。同時(shí)，這些電阻可以用于限流；在AIN0和AIN3前面增加限流電阻可以保護(hù)AD7124的其余裸露模擬引腳。

圖7. 在ADC輸入引腳前面添加限流電阻

這些電阻和內(nèi)部鉗位二極管可以防止某種程度的正負(fù)過壓。當(dāng)發(fā)生正或負(fù)過壓故障時(shí)，電流將通過電阻和內(nèi)部鉗位二極管流向AVDD或AVSS。根據(jù)AD7124的絕對(duì)最大值規(guī)格，電流值必須限制在10mA以下。如果RLimit等于3 kΩ，則該模塊可以防范±30V持續(xù)過壓。

但是，當(dāng)該模塊在正常模式下工作時(shí)，RLIMIT上會(huì)出現(xiàn)壓降。如果激勵(lì)電流為500μA，RLIMIT上的壓降將為1.5V，傳感器電阻和RREF將受到限制。增加RLIMIT可以獲得更好的保護(hù)，但傳感器和參考電阻阻值范圍會(huì)更小?；谠摫Ｗo(hù)方法，順從電壓將隨著過壓保護(hù)要求的提高而降低。需要注意RREF和RReturn的功耗，故障電壓將直接落在這兩個(gè)電阻上。

除AD7124-8模擬引腳外，開關(guān)也暴露在高壓下，因此應(yīng)選擇能夠防范±30 V電壓的器件。過去幾年中，光電MOS和繼電器已經(jīng)用于這些情況，但高價(jià)格和大封裝限制了應(yīng)用范圍。

利用分立晶體管保護(hù)電流源

使用限流電阻的最大缺點(diǎn)是SOURCE+上的順從電壓很低。使用分立晶體管和二極管可以實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)，并提高SOURCE+引腳上的最大允許電壓。圖8顯示了該方法的示意圖。

圖8. 利用分立晶體管和二極管實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)

這種結(jié)構(gòu)可以讓激勵(lì)電流在正常情況下總是流向RTD傳感器，并防止發(fā)生高過壓損壞。其他模擬輸入引腳可以通過限流電阻來保護(hù)，因?yàn)槟M輸入引腳沒有順從電壓限制。

如果對(duì)此RTD傳感器施加一個(gè)很大的正電壓，D1會(huì)防止電流源受正高壓影響。如果對(duì)此RTD傳感器施加一個(gè)很大的負(fù)電壓，Q1的集電極和基極之間的PN結(jié)會(huì)反向偏置，導(dǎo)致RB1和此PN結(jié)上出現(xiàn)高壓降，防止損壞AIN0。

在正常模式下，D2用作反向偏置二極管，使得流過該元件的電流非常小。經(jīng)過Q1發(fā)射極流向基極的電流非常小，因此RB1上的壓降可以忽略不計(jì)。這種方法可以使得順從電壓高于使用限流電阻的情況，并且能防范高得多的故障電壓。

使用具有過壓保護(hù)功能的模擬開關(guān)與多路轉(zhuǎn)換器

使用分立元件保護(hù)這種高精度RTD模塊的缺點(diǎn)是顯而易見的：不容易選擇合適的元件；這些元件會(huì)使保護(hù)電路復(fù)雜化；并且會(huì)占用較大的PCB面積。

盡管AD7124模擬輸入引腳的漏電流非常小，但這些引腳串聯(lián)的大電阻（如R1和R2）會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差，而且這些電阻的熱噪聲會(huì)降低分辨率。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，RTD模塊可能有多個(gè)通道，電流源從一個(gè)通道切換到另一個(gè)通道，大電阻值會(huì)增加模擬輸入RC組合的建立時(shí)間，而RTD模塊應(yīng)該花更多時(shí)間給電容充電，如C1、C2和C3。保護(hù)功能和精度很難平衡。開關(guān)同樣需要防范高過壓。

在這種情況下，使用具有故障保護(hù)功能的模擬開關(guān)與多路轉(zhuǎn)換器可以提供開關(guān)和過壓保護(hù)。圖9給出了一個(gè)示例。

圖9. 帶故障保護(hù)的模擬開關(guān)與多路轉(zhuǎn)換器

在圖9中，AD7124前端使用了ADG5243F中的三個(gè)SPDT開關(guān)，AIN1和AIN2前端使用了ADG5462F中的兩個(gè)可變電阻。這些保護(hù)功能可以通過ADG5243F和ADG5462F來實(shí)現(xiàn)，二者具有用戶自定義故障保護(hù)和檢測(cè)功能。

這些器件的突出特性

* 源極引腳具有過壓保護(hù)功能，可以耐受高于副供電軌、從–55V到+55V的電壓。* 在未供電情況下，源極引腳的過壓保護(hù)范圍是–55V至+55V。* 過壓檢測(cè)提供數(shù)字輸出，指示開關(guān)的工作狀態(tài)。* 溝槽隔離可防止閂鎖。* 針對(duì)低電荷注入和導(dǎo)通電容而優(yōu)化。

ADG5243F既可采用±5V至±22V的雙電源供電，也可采用8V至44V的單電源供電。

抗閂鎖、低漏電流和業(yè)界領(lǐng)先的RON平坦度也是這些器件的優(yōu)點(diǎn)。低漏電流和低電阻可以提高該RTD模塊的精度和噪聲性能。

如果對(duì)RTD接口施加正或負(fù)電壓，則漏極引腳上的電壓將箝位在POSFV+ VT或NEGFV–VT。如果POSFV設(shè)置為4.5V且NEGFV設(shè)置為AGND，則路徑中用于保護(hù)AD7124的串聯(lián)電阻要容易選擇得多。如果過壓發(fā)生在無電狀態(tài)下，則開關(guān)保持高阻抗?fàn)顟B(tài)，以幫助防止損壞器件。

這些器件的檢測(cè)功能可用于系統(tǒng)診斷。ADG5243F和ADG5462F的源極輸入電壓持續(xù)受到監(jiān)控。低電平有效數(shù)字輸出引腳FF指示開關(guān)的狀態(tài)。FF引腳上的電壓指示是否有任何源極輸入引腳發(fā)生故障。AD7124提供許多強(qiáng)大的系統(tǒng)安全診斷功能。處理器可以將這些器件的診斷功能組合起來以構(gòu)建更加穩(wěn)健的系統(tǒng)。

結(jié) 語

AD7124中的功能模塊和診斷功能可提高精度和穩(wěn)健性。比較RTD模塊中的三種過壓保護(hù)方法之后，可發(fā)現(xiàn)使用具有過壓保護(hù)功能的模擬開關(guān)與多路轉(zhuǎn)換器具有許多優(yōu)點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)

* 讓RTD模塊能承受更高的故障電壓* 漏電流低、噪聲低且建立時(shí)間短* 取代傳統(tǒng)的繼電器和光電MOS，節(jié)省PCB面積和成本* 診斷功能增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)健性* 易于使用