基于RTD的測(cè)量系統(tǒng)的過壓保護(hù)
出處：維庫電子市場(chǎng)網(wǎng) 發(fā)布于：2025-03-27 17:01:42 | 291 次閱讀
是否可以設(shè)計(jì)具有過電壓保護(hù)的完整RTD模塊？ RTD（電阻溫度檢測(cè)器）可以提供出色的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，并降低噪聲和干擾的影響。 RTD傳感器可以由2線，3線或4線版本組成，并且需要激發(fā)電流以產(chǎn)生輸出電壓。
AD7124-4/AD7124-8包含兩個(gè)匹配良好的電流源，一個(gè)PGA，參考緩沖區(qū)和診斷功能，非常適合高可靠性RTD模塊。
不正確的操作，粗心的連接和裸露的電線通常會(huì)導(dǎo)致工業(yè)環(huán)境中的過度壓力，這會(huì)損壞電子設(shè)備并造成不良后果，而后果可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。電壓保護(hù)能力是RTD模塊的關(guān)鍵規(guī)范。在瞬態(tài)過電壓保護(hù)之外，必須在實(shí)際生產(chǎn)過程中考慮持久的過電壓保護(hù)。
本文將重點(diǎn)介紹如何為具有過電壓保護(hù)功能的多線RTD模塊提供總體解決方案，該模塊基于AD7124，以及過電壓保護(hù)和檢測(cè)多路復(fù)用器和通道保護(hù)器。本文可以幫助設(shè)計(jì)師理解此方法并選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備。
對(duì)于過電壓保護(hù)功能，這里有三個(gè)可選解決方案：
在ADC銷釘前使用串聯(lián)電阻可以幫助保護(hù)AD7124。這些引腳包括模擬輸入和激發(fā)輸出引腳，但電阻將限制依從性電壓。
當(dāng)前源的保護(hù)可以通過離散組件來實(shí)現(xiàn)。該解決方案可以實(shí)現(xiàn)更高的過電壓保護(hù)和較大的電壓合規(guī)性。但是，開關(guān)和多路復(fù)用器仍在外部暴露。
ADI的過電壓保護(hù)和檢測(cè)開關(guān)，多路復(fù)用器和通道保護(hù)器（ADG52XXF和ADG54XXF）可用于RTD模塊保護(hù)和不同的電線RTD傳感器開關(guān)。這些零件可以在動(dòng)力和無動(dòng)力模式下提供±55 V故障電壓保護(hù)，并可以通過閂鎖免疫實(shí)施故障檢測(cè)。它們的高密度套件比傳統(tǒng)解決方案占用的PCB面積要小得多。
基于AD7124的RTD模塊
比率測(cè)量值廣泛用于RTD模塊，因?yàn)樗梢韵ぐl(fā)電流源的誤差和漂移。圖1顯示了基于AD7124-8的4線RTD測(cè)量的典型圖。
AIN0提供了激發(fā)電流，AD7124集成的參考緩沖區(qū)和PGA，重新和AIN是高阻抗輸入，因此相同的電流通過RTD傳感器和參考
AIN0提供了激發(fā)電流，并且AD7124集成的參考緩沖區(qū)和PGA，重新和AIN是高阻抗輸入，因此相同的電流通過RTD傳感器和參考電阻器流動(dòng)。 ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果是輸入電壓（VRTD）和參考電壓（VREF）之間的比率，該比率等于RRTD和RREF之間的比率。如果RREF是已知的，高精度和穩(wěn)定的參考電阻，則可以通過RREF值和ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果來計(jì)算RRTD。
通過使用4線RTD配置，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精度和可靠性，并且可以消除鉛電阻的誤差。因此，成本高于3線或2線配置。圖2顯示了基于AD7124的3線RTD測(cè)量，這是性能和成本之間的折衷。
將轉(zhuǎn)換代碼表示為這兩個(gè)功能的組成：
圖3：基于AD7124-8的2線RTD比率測(cè)量
對(duì)于2線RTD，由于鉛電阻引起的誤差無法取消，但是這種類型的RTD傳感器的成本低于其他傳感器，并且AD7124-8可以配置為2-Wire RTD傳感器，如圖3所示。
實(shí)際上，許多工業(yè)客戶要求將RTD模塊的同一端口提供給許多不同類型的RTD傳感器，這很方便平衡RTD傳感器的成本和性能。圖4顯示了RTD模塊的通用接口，該接口可以支持不同的電線RTD傳感器。
圖4：不同電線傳感器的RTD接口
通過計(jì)算選擇適當(dāng)?shù)碾娮韬?a target="_blank">電容器值可以優(yōu)化噪聲性能。 RTD比率溫度測(cè)量值的文章模擬前端設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)可以提供指導(dǎo)。
如果除了優(yōu)化的噪聲性能外，還需要過度電壓保護(hù)，那么額外的要求將造成很多額外的麻煩。
首先，某些AD7124的模擬引腳直接暴露于外部環(huán)境中，根據(jù)AD7124在25°C以下的絕對(duì)最大等級(jí)，對(duì)AVSS的模擬輸入電壓應(yīng)在-0.3 V到AVDD +0.3 V之間，這意味著該模塊無法防御高高電位。其次，三個(gè)開關(guān)需要具有高電壓。
添加電流限制電阻
在AD7124的每個(gè)引腳上添加電流限制電阻都可以輕松為AD7124提供過電壓保護(hù)。
圖6顯示了AD7124模擬引腳體系結(jié)構(gòu)。每個(gè)模擬引腳都有兩個(gè)夾緊二極管，我們可以使用這些二極管直接實(shí)現(xiàn)保護(hù)，而無需引入任何其他泄漏電流。
圖7顯示了該方法的圖-R1至R4分別在AIN1，AIN2，REF+和REF的前面。此設(shè)置用于消除噪聲。這些電阻可以同時(shí)用于電流極限，并在AIN0前添加電流限制電阻，并且AIN3可以保護(hù)AD7124的其余裸露模擬引腳。
圖7：在ADC輸入引腳面前添加電流限制電阻
這些電阻和內(nèi)部夾緊二極管可以防止某種水平的正和負(fù)電壓。當(dāng)發(fā)生正或負(fù)電壓故障時(shí)，電流將流過
這些電阻和內(nèi)部夾緊二極管可以防止某種水平的正和負(fù)電壓。當(dāng)發(fā)生正極或負(fù)電壓斷層時(shí)，電流將流過電阻器和內(nèi)部夾具二極管轉(zhuǎn)向AVDD或AVS。根據(jù)AD7124的絕對(duì)規(guī)范，當(dāng)前值必須限于小于10 mA。如果Rimit等于3kΩ，則該模塊可以防止±30 V耐用的過電壓。
但是，當(dāng)此模塊在正常模式下工作時(shí)，Rlimit的電壓下降。如果激發(fā)電流為500μA，則RLILIT的電壓下降為1.5 V，傳感器和RREF的電阻將受到限制。增加的RLIMIT可以獲得更好的保護(hù)，但阻力范圍會(huì)較小。根據(jù)此保護(hù)方法，合規(guī)性電壓將隨著過電壓保護(hù)要求的增加而降低。如果負(fù)責(zé)RREF和Retrurn的功耗，則故障電壓將直接降低這兩個(gè)電阻。
除了AD7124-8模擬引腳外，開關(guān)也暴露在高壓下，因此我們應(yīng)該選擇可以防御±30 V電壓的零件。在過去的幾年中，在這些情況下使用了照片MOS和接力賽，但是高價(jià)和大包裝限制了應(yīng)用領(lǐng)域。
使用離散的晶體管保護(hù)當(dāng)前源
該架構(gòu)可以在正常情況下保持激發(fā)電流流向RTD傳感器，并防止高壓損壞。另一個(gè)模擬輸入引腳可以受到當(dāng)前限制電阻的保護(hù)，因?yàn)槟M輸入引腳沒有依從性電壓限制。
如果將大型正電壓應(yīng)用于該RTD傳感器，則D1可防止當(dāng)前源從正高壓。如果將大型負(fù)電壓應(yīng)用于該RTD傳感器，則Q1的收集器和基部之間的PN連接處是反向偏置的，從而在RB1和該P(yáng)N連接處導(dǎo)致高電壓下降，這可以防止對(duì)AIN0損壞。
在正常模式下，D2充當(dāng)反向偏置二極管，它使流經(jīng)該部分的流動(dòng)非常小。當(dāng)前流動(dòng)Q1的發(fā)射器的目前很少，因此RB1上的電壓下降可能會(huì)被忽略。與使用當(dāng)前限制電阻器相比，這種方法可以保持合規(guī)性電壓高，并防御更高的斷層電壓。
使用具有過電壓保護(hù)功能的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器
即使AD7124模擬輸入引腳的泄漏電流很小，但這些引腳上的大電阻器系列（例如R1和R2）會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差，并且這些電阻器的熱噪聲會(huì)降低分辨率。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，RTD模塊可能具有多個(gè)通道，當(dāng)前源將從一個(gè)通道切換到另一個(gè)通道，大電阻值增加了模擬輸入RC組合的沉降時(shí)間，并且RTD模塊應(yīng)花費(fèi)更多時(shí)間來為電容器充電，例如C1，C2和C3。很難平衡保護(hù)功能和準(zhǔn)確性。而且開關(guān)仍然需要防止高電壓。
在這種情況下，使用模擬開關(guān)和具有故障保護(hù)的多路復(fù)用器可以提供開關(guān)和過電壓保護(hù)。圖9顯示了一個(gè)示例。在圖9中，使用AD7124前面的ADG5243F共有三個(gè)SPDT開關(guān)，在AIN1和AIN2前使用ADG5462F的兩個(gè)可變電阻器。這些組件可以通過使用具有用戶定義的故障保護(hù)和檢測(cè)功能的ADG5243F和ADG5462F來實(shí)現(xiàn)。
這些部分的突出特征是：
源銷受保護(hù)的電壓，可從–55 V和+55 V大于次級(jí)供應(yīng)軌。
源銷受保護(hù)的電壓，可從–55 V和+55 V大于次級(jí)供應(yīng)軌。
源銷在無動(dòng)力狀態(tài)下可保護(hù)源銷–55 V和+55 V之間的電壓。
用數(shù)字輸出的過電壓檢測(cè)指示開關(guān)的工作狀態(tài)。
溝槽隔離后衛(wèi)防止閂鎖。
優(yōu)化用于低電荷注入和電容。
ADG5243F可以從±5 V至±22 V的雙電源或8 V至44 V的單個(gè)電源進(jìn)行操作。
這些零件的優(yōu)勢(shì)也是閂鎖的免疫力，其泄漏電流和行業(yè)領(lǐng)先的RON平整度也是如此。低泄漏和低導(dǎo)電電阻可以提高此RTD模塊的準(zhǔn)確性和噪聲性能。
如果將正電壓或負(fù)電壓應(yīng)用于RTD界面，則排水銷的電壓將在POSFV + VT或NEGFV – VT處夾緊。如果將POSFV設(shè)置為4.5 V，并且NegFV設(shè)置為AGND，則該路線中用于保護(hù)AD7124的路線中的電阻系列更容易選擇。如果過電壓發(fā)生在未造成的狀態(tài)下，則開關(guān)保持高阻抗?fàn)顟B(tài)并有助于防止零件損壞。
這些零件的檢測(cè)功能可用于系統(tǒng)診斷。不斷監(jiān)視ADG5243F和ADG5462F源輸入的電壓?；钴S的低數(shù)字輸出引腳FF表示開關(guān)的狀態(tài)。 FF引腳上的電壓指示任何源輸入引腳是否經(jīng)歷了故障狀態(tài)。 AD7124為系統(tǒng)安全提供許多強(qiáng)大的診斷功能。
AD7124-4/AD7124-8包含兩個(gè)匹配良好的電流源，一個(gè)PGA，參考緩沖區(qū)和診斷功能，非常適合高可靠性RTD模塊。
不正確的操作，粗心的連接和裸露的電線通常會(huì)導(dǎo)致工業(yè)環(huán)境中的過度壓力，這會(huì)損壞電子設(shè)備并造成不良后果，而后果可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。電壓保護(hù)能力是RTD模塊的關(guān)鍵規(guī)范。在瞬態(tài)過電壓保護(hù)之外，必須在實(shí)際生產(chǎn)過程中考慮持久的過電壓保護(hù)。
本文將重點(diǎn)介紹如何為具有過電壓保護(hù)功能的多線RTD模塊提供總體解決方案，該模塊基于AD7124，以及過電壓保護(hù)和檢測(cè)多路復(fù)用器和通道保護(hù)器。本文可以幫助設(shè)計(jì)師理解此方法并選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備。
對(duì)于過電壓保護(hù)功能，這里有三個(gè)可選解決方案：
在ADC銷釘前使用串聯(lián)電阻可以幫助保護(hù)AD7124。這些引腳包括模擬輸入和激發(fā)輸出引腳，但電阻將限制依從性電壓。
當(dāng)前源的保護(hù)可以通過離散組件來實(shí)現(xiàn)。該解決方案可以實(shí)現(xiàn)更高的過電壓保護(hù)和較大的電壓合規(guī)性。但是，開關(guān)和多路復(fù)用器仍在外部暴露。
ADI的過電壓保護(hù)和檢測(cè)開關(guān)，多路復(fù)用器和通道保護(hù)器（ADG52XXF和ADG54XXF）可用于RTD模塊保護(hù)和不同的電線RTD傳感器開關(guān)。這些零件可以在動(dòng)力和無動(dòng)力模式下提供±55 V故障電壓保護(hù)，并可以通過閂鎖免疫實(shí)施故障檢測(cè)。它們的高密度套件比傳統(tǒng)解決方案占用的PCB面積要小得多。
基于AD7124的RTD模塊
比率測(cè)量值廣泛用于RTD模塊，因?yàn)樗梢韵ぐl(fā)電流源的誤差和漂移。圖1顯示了基于AD7124-8的4線RTD測(cè)量的典型圖。
圖1：基于AD7124-8的4線RTD比率測(cè)量
AIN0提供了激發(fā)電流，AD7124集成的參考緩沖區(qū)和PGA，重新和AIN是高阻抗輸入，因此相同的電流通過RTD傳感器和參考
AIN0提供了激發(fā)電流，并且AD7124集成的參考緩沖區(qū)和PGA，重新和AIN是高阻抗輸入，因此相同的電流通過RTD傳感器和參考電阻器流動(dòng)。 ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果是輸入電壓（VRTD）和參考電壓（VREF）之間的比率，該比率等于RRTD和RREF之間的比率。如果RREF是已知的，高精度和穩(wěn)定的參考電阻，則可以通過RREF值和ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果來計(jì)算RRTD。
通過使用4線RTD配置，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精度和可靠性，并且可以消除鉛電阻的誤差。因此，成本高于3線或2線配置。圖2顯示了基于AD7124的3線RTD測(cè)量，這是性能和成本之間的折衷。
兩個(gè)集成良好的電流來源有助于3線RTD測(cè)量。 VREF和VRTD可以通過以下兩個(gè)功能表示：
AD7124具有兩個(gè)匹配良好的電流源，這意味著IEXC0接近或等于IEXC1，鉛電阻RL1和RL2非常相似。這些功能可以表示為：
將轉(zhuǎn)換代碼表示為這兩個(gè)功能的組成：
圖3：基于AD7124-8的2線RTD比率測(cè)量對(duì)于2線RTD，由于鉛電阻引起的誤差無法取消，但是這種類型的RTD傳感器的成本低于其他傳感器，并且AD7124-8可以配置為2-Wire RTD傳感器，如圖3所示。
實(shí)際上，許多工業(yè)客戶要求將RTD模塊的同一端口提供給許多不同類型的RTD傳感器，這很方便平衡RTD傳感器的成本和性能。圖4顯示了RTD模塊的通用接口，該接口可以支持不同的電線RTD傳感器。
圖4：不同電線傳感器的RTD接口由于此要求，這種類型的RTD模塊需要由固件配置為有線的RTD傳感器。圖5顯示了基于AD7124-8及其開關(guān)的不同電線RTD傳感器的框圖。 AD7124-8可以支持4通道，2線/3線/4線RTD測(cè)量。
使用控制器可以輕松更改不同傳感器的配置，表1顯示了不同配置的開關(guān)和當(dāng)前源狀態(tài)。
通過計(jì)算選擇適當(dāng)?shù)碾娮韬?a target="_blank">電容器值可以優(yōu)化噪聲性能。 RTD比率溫度測(cè)量值的文章模擬前端設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)可以提供指導(dǎo)。
如果除了優(yōu)化的噪聲性能外，還需要過度電壓保護(hù)，那么額外的要求將造成很多額外的麻煩。
首先，某些AD7124的模擬引腳直接暴露于外部環(huán)境中，根據(jù)AD7124在25°C以下的絕對(duì)最大等級(jí)，對(duì)AVSS的模擬輸入電壓應(yīng)在-0.3 V到AVDD +0.3 V之間，這意味著該模塊無法防御高高電位。其次，三個(gè)開關(guān)需要具有高電壓。
添加電流限制電阻
在AD7124的每個(gè)引腳上添加電流限制電阻都可以輕松為AD7124提供過電壓保護(hù)。
圖6顯示了AD7124模擬引腳體系結(jié)構(gòu)。每個(gè)模擬引腳都有兩個(gè)夾緊二極管，我們可以使用這些二極管直接實(shí)現(xiàn)保護(hù)，而無需引入任何其他泄漏電流。
圖7顯示了該方法的圖-R1至R4分別在AIN1，AIN2，REF+和REF的前面。此設(shè)置用于消除噪聲。這些電阻可以同時(shí)用于電流極限，并在AIN0前添加電流限制電阻，并且AIN3可以保護(hù)AD7124的其余裸露模擬引腳。
圖7：在ADC輸入引腳面前添加電流限制電阻這些電阻和內(nèi)部夾緊二極管可以防止某種水平的正和負(fù)電壓。當(dāng)發(fā)生正或負(fù)電壓故障時(shí)，電流將流過
這些電阻和內(nèi)部夾緊二極管可以防止某種水平的正和負(fù)電壓。當(dāng)發(fā)生正極或負(fù)電壓斷層時(shí)，電流將流過電阻器和內(nèi)部夾具二極管轉(zhuǎn)向AVDD或AVS。根據(jù)AD7124的絕對(duì)規(guī)范，當(dāng)前值必須限于小于10 mA。如果Rimit等于3kΩ，則該模塊可以防止±30 V耐用的過電壓。
但是，當(dāng)此模塊在正常模式下工作時(shí)，Rlimit的電壓下降。如果激發(fā)電流為500μA，則RLILIT的電壓下降為1.5 V，傳感器和RREF的電阻將受到限制。增加的RLIMIT可以獲得更好的保護(hù)，但阻力范圍會(huì)較小。根據(jù)此保護(hù)方法，合規(guī)性電壓將隨著過電壓保護(hù)要求的增加而降低。如果負(fù)責(zé)RREF和Retrurn的功耗，則故障電壓將直接降低這兩個(gè)電阻。
除了AD7124-8模擬引腳外，開關(guān)也暴露在高壓下，因此我們應(yīng)該選擇可以防御±30 V電壓的零件。在過去的幾年中，在這些情況下使用了照片MOS和接力賽，但是高價(jià)和大包裝限制了應(yīng)用領(lǐng)域。
使用離散的晶體管保護(hù)當(dāng)前源
使用極限電阻器的最大弱點(diǎn)是源+上的合規(guī)性電壓很低。使用離散的晶體管和二極管可以實(shí)現(xiàn)過電壓保護(hù)并增加源+引腳上的最大電壓。圖8顯示了此方法的圖。
該架構(gòu)可以在正常情況下保持激發(fā)電流流向RTD傳感器，并防止高壓損壞。另一個(gè)模擬輸入引腳可以受到當(dāng)前限制電阻的保護(hù)，因?yàn)槟M輸入引腳沒有依從性電壓限制。
如果將大型正電壓應(yīng)用于該RTD傳感器，則D1可防止當(dāng)前源從正高壓。如果將大型負(fù)電壓應(yīng)用于該RTD傳感器，則Q1的收集器和基部之間的PN連接處是反向偏置的，從而在RB1和該P(yáng)N連接處導(dǎo)致高電壓下降，這可以防止對(duì)AIN0損壞。
在正常模式下，D2充當(dāng)反向偏置二極管，它使流經(jīng)該部分的流動(dòng)非常小。當(dāng)前流動(dòng)Q1的發(fā)射器的目前很少，因此RB1上的電壓下降可能會(huì)被忽略。與使用當(dāng)前限制電阻器相比，這種方法可以保持合規(guī)性電壓高，并防御更高的斷層電壓。
使用具有過電壓保護(hù)功能的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器
使用離散組件保護(hù)此高精度RTD模塊的弱點(diǎn)很明顯 - 選擇合適的組件并不容易；這些零件使保護(hù)電路變得復(fù)雜，它們占據(jù)了大型PCB區(qū)域。
即使AD7124模擬輸入引腳的泄漏電流很小，但這些引腳上的大電阻器系列（例如R1和R2）會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差，并且這些電阻器的熱噪聲會(huì)降低分辨率。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，RTD模塊可能具有多個(gè)通道，當(dāng)前源將從一個(gè)通道切換到另一個(gè)通道，大電阻值增加了模擬輸入RC組合的沉降時(shí)間，并且RTD模塊應(yīng)花費(fèi)更多時(shí)間來為電容器充電，例如C1，C2和C3。很難平衡保護(hù)功能和準(zhǔn)確性。而且開關(guān)仍然需要防止高電壓。
在這種情況下，使用模擬開關(guān)和具有故障保護(hù)的多路復(fù)用器可以提供開關(guān)和過電壓保護(hù)。圖9顯示了一個(gè)示例。在圖9中，使用AD7124前面的ADG5243F共有三個(gè)SPDT開關(guān)，在AIN1和AIN2前使用ADG5462F的兩個(gè)可變電阻器。這些組件可以通過使用具有用戶定義的故障保護(hù)和檢測(cè)功能的ADG5243F和ADG5462F來實(shí)現(xiàn)。
這些部分的突出特征是：
源銷受保護(hù)的電壓，可從–55 V和+55 V大于次級(jí)供應(yīng)軌。
源銷受保護(hù)的電壓，可從–55 V和+55 V大于次級(jí)供應(yīng)軌。
源銷在無動(dòng)力狀態(tài)下可保護(hù)源銷–55 V和+55 V之間的電壓。
用數(shù)字輸出的過電壓檢測(cè)指示開關(guān)的工作狀態(tài)。
溝槽隔離后衛(wèi)防止閂鎖。
優(yōu)化用于低電荷注入和電容。
ADG5243F可以從±5 V至±22 V的雙電源或8 V至44 V的單個(gè)電源進(jìn)行操作。
這些零件的優(yōu)勢(shì)也是閂鎖的免疫力，其泄漏電流和行業(yè)領(lǐng)先的RON平整度也是如此。低泄漏和低導(dǎo)電電阻可以提高此RTD模塊的準(zhǔn)確性和噪聲性能。
如果將正電壓或負(fù)電壓應(yīng)用于RTD界面，則排水銷的電壓將在POSFV + VT或NEGFV – VT處夾緊。如果將POSFV設(shè)置為4.5 V，并且NegFV設(shè)置為AGND，則該路線中用于保護(hù)AD7124的路線中的電阻系列更容易選擇。如果過電壓發(fā)生在未造成的狀態(tài)下，則開關(guān)保持高阻抗?fàn)顟B(tài)并有助于防止零件損壞。
這些零件的檢測(cè)功能可用于系統(tǒng)診斷。不斷監(jiān)視ADG5243F和ADG5462F源輸入的電壓?；钴S的低數(shù)字輸出引腳FF表示開關(guān)的狀態(tài)。 FF引腳上的電壓指示任何源輸入引腳是否經(jīng)歷了故障狀態(tài)。 AD7124為系統(tǒng)安全提供許多強(qiáng)大的診斷功能。
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