作者：Yao Zhao 是否能設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。 在工業環境中，不當操作、錯誤的連接線和裸露的導線通常會導致過壓故障，這會損壞電子器件，造成不良后果。過壓保護能力是RTD模塊的一項關鍵要求。除瞬態過壓保護之外，實際生產過程中還必須考慮持續過壓保護。 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用器及通道保護器。本文可以幫助設計人員了解此方法并選擇合適的器件。 針對持續的過壓保護功能，有以下三種實現方法： * 在ADC引腳前面使用串聯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。該解決方案可實現更高的過壓保護和更大的順從電壓范圍。但是，模擬開關與多路復用器仍然暴露在外。 * ADI公司的帶過壓保護和檢測功能的多路復用器及通道保護器（ADG52xxF和ADG54xxF）可用于RTD模塊保護和不同線數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，并能實現防閂鎖的故障檢測。其高密度封裝占用的PCB面積要比傳統解決方案小得多。 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轉換結果是輸入電壓(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定的基準電阻，則可通過RREF值和ADC轉換結果計算RRTD。 采用4線RTD配置，該系統可以實現高精度和高可靠性，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。上述函數可表示為： 轉換結果可以用以上兩個函數表示為： 根據此函數，RTD電阻值可通過轉換結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的RTD傳感器。 圖4. 不同線數傳感器的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的RTD傳感器。圖5顯示了基于AD7124-8和開關的不同線數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和電流源狀態。 表1. 不同線數RTD傳感器的開關和IEXT狀態 通過計算選擇合適的電阻和電容值，可以優化噪聲性能。文章“RTD比率溫度測量的模擬前端設計考慮”可用作指南。除了優化噪聲性能之外，還需要一些額外的措施來實現過壓保護。 首先，AD7124的某些模擬引腳直接暴露在外部環境中，根據AD7124在25°C下的絕對最大額定值，模擬輸入電壓應介于–0.3 V至AVDD 0.3 V之間，這意味著發生高過壓時，該模塊無法提供保護。其次，三個開關需要承受高壓。 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模擬引腳內部架構。 圖6顯示了AD7124的模擬引腳架構。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。 這些電阻和內部鉗位二極管可以防止某種程度的正負過壓。當發生正或負過壓故障時，電流將通過電阻和內部鉗位二極管流向AVDD或AVSS。根據AD7124的絕對最大值規格，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持續過壓。 但是，當該模塊在正常模式下工作時，RLIMIT上會出現壓降。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。基于該保護方法，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，開關也暴露在高壓下，因此應選擇能夠防范±30 V電壓的器件。過去幾年中，光電MOS和繼電器已經用于這些情況，但高價格和大封裝限制了應用范圍。 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過壓保護。 這種結構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結會反向偏置，導致RB1和此PN結上出現高壓降，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。經過Q1發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與多路轉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，但這些引腳串聯的大電阻（如R1和R2）會產生明顯的誤差，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。開關同樣需要防范高過壓。