作者：Yao Zhao 是否能設(shè)計一個帶過壓保護的完整RTD模塊？ 引言 RTD（電阻溫度檢測器）具有出色的穩(wěn)定性和精度，有較強的抗干擾能力。RTD傳感器包括2線、3線和4線版本，通過電流激勵能產(chǎn)生輸出電壓。AD7124-4/AD7124-8集成了兩個匹配良好的電流源、PGA、基準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，不當操作、錯誤的連接線和裸露的導(dǎo)線通常會導(dǎo)致過壓故障，這會損壞電子器件，造成不良后果。過壓保護能力是RTD模塊的一項關(guān)鍵要求。除瞬態(tài)過壓保護之外，實際生產(chǎn)過程中還必須考慮持續(xù)過壓保護。 本文重點說明如何為具有過壓保護功能的多線RTD模塊（基于AD7124）提供全面解決方案，并介紹帶有過壓保護和檢測功能的多路復(fù)用器及通道保護器。本文可以幫助設(shè)計人員了解此方法并選擇合適的器件。 針對持續(xù)的過壓保護功能，有以下三種實現(xiàn)方法： * 在ADC引腳前面使用串聯(lián)電阻有助于輕松保護AD7124。這些引腳包括模擬輸入和激勵輸出引腳，但電阻會限制順從電壓。 * 電流源的保護可以通過分立元件實現(xiàn)。該解決方案可實現(xiàn)更高的過壓保護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公司的帶過壓保護和檢測功能的多路復(fù)用器及通道保護器（ADG52xxF和ADG54xxF）可用于RTD模塊保護和不同線數(shù)RTD傳感器切換。這些器件在有電和無電模式下均可提供±55 V故障電壓保護，并能實現(xiàn)防閂鎖的故障檢測。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 比率測量法被廣泛的用于RTD模塊，因為它能消除激勵電流源的誤差和漂移。圖1是基于AD7124-8的4線RTD測量的典型示意圖。 圖1. 基于AD7124-8的4線RTD比率測量。 AIN0提供激勵電流，AD7124集成了基準電壓緩沖器和PGA，REFIN及AIN都是高阻抗輸入，因此會有相同電流流過RTD傳感器和基準電阻。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果是輸入電壓(VRTD)和基準電壓(VREF)之比，其等于RRTD和RREF之比。如果RREF是已知的高精度且穩(wěn)定的基準電阻，則可通過RREF值和ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果計算RRTD。 采用4線RTD配置，該系統(tǒng)可以實現(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比，圖2顯示了基于AD7124的3線RTD測量方案。 圖2. 基于AD7124-8的3線RTD比率測量。 兩個集成的、匹配良好的電流源有助于3線RTD測量。VREF和VRTD可以用以下兩個函數(shù)表示： AD7124集成了兩個匹配良好的電流源，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)果和基準電阻值計算。詳情請參閱CN-0383。 對于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比率測量 在實踐中，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測量。 圖5. 基于AD7124-8的不同線數(shù)RTD傳感器測量。 針對不同傳感器，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) 通過計算選擇合適的電阻和電容值，可以優(yōu)化噪聲性能。文章“RTD比率溫度測量的模擬前端設(shè)計考慮”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現(xiàn)過壓保護。 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下的絕對最大額定值，模擬輸入電壓應(yīng)介于–0.3 V至AVDD 0.3 V之間，這意味著發(fā)生高過壓時，該模塊無法提供保護。其次，三個開關(guān)需要承受高壓。 增加限流電阻 在AD7124的每個引腳上增加限流電阻可以為AD7124提供過壓保護。 圖6. AD7124-8模擬引腳內(nèi)部架構(gòu)。 圖6顯示了AD7124的模擬引腳架構(gòu)。每個模擬引腳上有兩個鉗位二極管，我們可以利用這些二極管直接實現(xiàn)保護，而不會引入任何其他漏電流。 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，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過壓。當發(fā)生正或負過壓故障時，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的絕對最大值規(guī)格，電流值必須限制在10 mA以下。如果RLimit等于3 kΩ，則該模塊可以防范±30 V持續(xù)過壓。 但是，當該模塊在正常模式下工作時，RLIMIT上會出現(xiàn)壓降。如果激勵電流為500μA，RLIMIT上的壓降將為1.5 V，傳感器電阻和RREF將受到限制。增加RLIMIT可以獲得更好的保護，但傳感器和參考電阻阻值范圍會更小?；谠摫Ｗo方法，順從電壓將隨著過壓保護要求的提高而降低。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，但高價格和大封裝限制了應(yīng)用范圍。 利用分立晶體管保護電流源 使用限流電阻的最大缺點是SOURCE 上的順從電壓很低。使用分立晶體管和二極管可以實現(xiàn)過壓保護，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現(xiàn)過壓保護。 這種結(jié)構(gòu)可以讓激勵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，因為模擬輸入引腳沒有順從電壓限制。 如果對此RTD傳感器施加一個很大的正電壓，D1會防止電流源受正高壓影響。如果對此RTD傳感器施加一個很大的負電壓，Q1的集電極和基極之間的PN結(jié)會反向偏置，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。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。 使用具有過壓保護功能的模擬開關(guān)與多路轉(zhuǎn)換器使用分立元件保護這種高精度RTD模塊的缺點是顯而易見的：不容易選擇合適的元件；這些元件會使保護電路復(fù)雜化；并且會占用較大的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）會產(chǎn)生明顯的誤差，而且這些電阻的熱噪聲會降低分辨率。在實際設(shè)計中，RTD模塊可能有多個通道，電流源從一個通道切換到另一個通道，大電阻值會增加模擬輸入RC組合的建立時間，而RTD模塊應(yīng)該花更多時間給電容充電，如C1、C2和C3。保護功能和精度很難平衡。開關(guān)同樣需要防范高過壓。