是否可以設(shè)計一個具有過壓保護(hù)功能的完整 RTD 模塊？RTD（電阻溫度檢測器）可以提供出色的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，并減少噪聲和干擾的影響。RTD 傳感器可以由 2 線、3 線或 4 線版本組成，并且需要激勵電流來產(chǎn)生輸出電壓。
　　AD7124-4/AD7124-8 包含兩個匹配良好的電流源、一個 PGA、參考緩沖器和診斷功能，非常適合高可靠性 RTD 模塊。
　　在工業(yè)環(huán)境中，操作不當(dāng)、連接不當(dāng)和電線裸露通常會導(dǎo)致過壓故障，從而損壞電子設(shè)備并導(dǎo)致由此造成的不良后果。過壓保護(hù)能力是 RTD 模塊的關(guān)鍵規(guī)格。除了瞬時過壓保護(hù)外，實(shí)際生產(chǎn)中還必須考慮持久的過壓保護(hù)。
　　本文將重點(diǎn)介紹如何為基于 AD7124 的具有過壓保護(hù)功能的多線 RTD 模塊以及過壓保護(hù)和檢測多路復(fù)用器和通道保護(hù)器提供整體解決方案。本文可以幫助設(shè)計人員了解此方法并選擇合適的器件。
　　對于過壓保護(hù)功能，有以下三種可選解決方案：
　　在 ADC 引腳前使用串聯(lián)電阻可以輕松保護(hù) 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(hù)可以用分立元件來實(shí)現(xiàn)。這種解決方案可以實(shí)現(xiàn)更高的過壓保護(hù)和更大的電壓順從性。然而，開關(guān)和多路復(fù)用器仍然暴露在外部。
　　ADI 的過壓保護(hù)和檢測開關(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)和不同線路 RTD 傳感器切換。這些部件可在通電和斷電模式下提供 ±55 V 故障電壓保護(hù)，并可實(shí)現(xiàn)具有閂鎖免疫力的故障檢測。它們的高密度封裝占用的 PCB 面積比傳統(tǒng)解決方案小得多。
　　基于AD7124的RTD模塊　　比率測量在RTD模塊中應(yīng)用廣泛，因?yàn)樗梢韵铍娏髟吹恼`差和漂移。圖1是基于AD7124-8的4線RTD測量典型圖。

　　圖 1：基于 AD7124-8 的 4 線 RTD 比率測量

　　圖 2：基于 AD7124-8 的 3 線 RTD 比率測量

　　AIN0提供激勵電流，AD7124集成基準(zhǔn)緩沖器和PGA，REFIN和AIN為高阻抗輸入，因此相同的電流流過RTD傳感器和基準(zhǔn)
　　AIN0 提供激勵電流，AD7124 集成基準(zhǔn)緩沖器和 PGA，REFIN 和 AIN 為高阻抗輸入，因此流過 RTD 傳感器和基準(zhǔn)電阻的電流相同。ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果是輸入電壓 (VRTD) 與基準(zhǔn)電壓 (VREF) 的比值，等于 RRTD 與 RREF 的比值。如果 RREF 是已知的、高精度且穩(wěn)定的基準(zhǔn)電阻，則可以通過 RREF 值和 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果計算出 RRTD。
　　通過使用 4 線 RTD 配置，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高精度和高可靠性，并可消除引線電阻引起的誤差。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 測量，這是性能和成本之間的折衷。
　　兩個集成且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 具有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。函數(shù)可以表示為：

　　將轉(zhuǎn)換代碼表達(dá)為這兩個函數(shù)的組合：

　　　根據(jù)該函數(shù)可以通過轉(zhuǎn)換結(jié)果和參考電阻值計算出RTD電阻值.

　　圖 3：基于 AD7124-8 的 2 線 RTD 比率測量
　　對于2線RTD，由于引線電阻引起的誤差無法消除，但這種類型的RTD傳感器的成本低于其他傳感器，并且AD7124-8可以配置為2線RTD傳感器，如圖3所示。　　實(shí)際應(yīng)用中，很多工業(yè)客戶要求RTD模塊的同一個接口可以連接多種不同類型的RTD傳感器，以方便平衡RTD傳感器的成本和性能。圖4給出了RTD模塊的通用接口，可以支持不同線制的RTD傳感器。

　
　　圖 4：不同線傳感器的 RTD 接口　　由于這一要求，這種類型的 RTD 模塊需要通過固件輕松配置，以適應(yīng)不同線制的 RTD 傳感器。圖 5 顯示了基于一個 AD7124-8 及其開關(guān)的不同線制 RTD 傳感器的框圖。AD7124-8 可支持 4 通道、2 線/3 線/4 線 RTD 測量。

　　圖 5：基于 AD7124-8 的不同線制 RTD 傳感器測量
　　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)和電流源狀態(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)計考慮因素”可以提供指導(dǎo)。
　　如果除了優(yōu)化噪聲性能之外，現(xiàn)場還需要過壓保護(hù)，那么額外的要求會帶來很多額外的麻煩。
　　首先，AD7124的一些模擬引腳直接暴露在外部環(huán)境中，而根據(jù)AD7124在25°C下的絕對最大額定值，AVSS的模擬輸入電壓應(yīng)在-0.3 V至AVDD +0.3 V之間，這意味著該模塊無法防御高過壓的發(fā)生。其次，三個開關(guān)需要承受高電壓。
　　添加限流電阻　　在AD7124的每個引腳上添加限流電阻可以輕松為AD7124提供過壓保護(hù)。

　　圖6顯示了AD7124模擬引腳架構(gòu)。每個模擬引腳上都有兩個鉗位二極管，我們可以直接使用這些二極管來實(shí)現(xiàn)保護(hù)，而不會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– 前面。此設(shè)置用于消除噪聲。這些電阻可同時用于限流，在 AIN0 和 AIN3 前面添加限流電阻可以保護(hù) AD7124 其余裸露的模擬引腳。

　
　　圖 7：在 ADC 輸入引腳前添加限流電阻
　　這些電阻和內(nèi)部鉗位二極管可以防止一定程度的正向和負(fù)向過壓。當(dāng)發(fā)生正向或負(fù)向過壓故障時，電流將流過
　　這些電阻和內(nèi)部鉗位二極管可以防止一定程度的正負(fù)過壓。當(dāng)發(fā)生正或負(fù)過壓故障時，電流將流過電阻和內(nèi)部鉗位二極管到 AVDD 或 AVSS。根據(jù) AD7124 的絕對規(guī)格，電流值必須限制在 10 mA 以下。如果 RLimit 等于 3 kΩ，該模塊可以防止 ±30 V 的持久過壓。
　　但是該模塊在正常工作時，RLIMIT上會有壓降，如果激勵電流為500μA，RLIMIT上的壓降為1.5V，傳感器和RREF的阻值會受到限制，增加RLIMIT可以得到更好的保護(hù)，但阻值范圍會變小。這種保護(hù)方式，隨著過壓保護(hù)要求的提高，順從電壓會降低。如果考慮到RREF和RReturn的功耗，故障電壓會直接落在這兩個電阻上。
　　除了AD7124-8模擬引腳外，開關(guān)管也暴露在高壓下，因此應(yīng)選擇能防護(hù)±30V電壓的器件。過去幾年，光MOS和繼電器被用于這些場合，但價格高、封裝大，限制了應(yīng)用范圍。
　　使用分立晶體管保護(hù)電流源　　使用限流電阻的最大缺點(diǎn)是SOURCE+上的順從電壓較低。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顯示了此方法的示意圖。

　　圖 8：使用分立晶體管和二極管實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)
　　這種架構(gòu)可以保證激勵電流在正常情況下流向 RTD 傳感器，并防止高過壓損壞。其他模擬輸入引腳可以通過限流電阻保護(hù)，因?yàn)槟M輸入引腳沒有順從電壓限制。
　　如果將較大的正電壓施加到該 RTD 傳感器上，D1 會阻止電流源受到正高電壓的影響。如果將較大的負(fù)電壓施加到該 RTD 傳感器上，Q1 集電極和基極之間的 PN 結(jié)會處于反向偏置，導(dǎo)致 RB1 和該 PN 結(jié)上出現(xiàn)高壓降，從而防止 AIN0 受損。
　　在正常模式下，D2 充當(dāng)反向偏置二極管，使流過該部分的電流非常小。從 Q1 的發(fā)射極到基極的電流非常小，因此 RB1 上的壓降可以忽略不計。這種方法可以保持順從電壓高于使用限流電阻，并防御更高的故障電壓。
　　使用具有過壓保護(hù)功能的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器　　使用分立元件來保護(hù)這種高精度 RTD 模塊的弱點(diǎn)是顯而易見的——選擇合適的元件并不容易；這些部件使保護(hù)電路變得復(fù)雜，并且占用了很大的 PCB 面積。

　　圖 9：具有故障保護(hù)功能的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器
　　盡管AD7124模擬輸入引腳的漏電流很小，但這些引腳上的大電阻串聯(lián)（如R1和R2）會產(chǎn)生明顯的誤差，并且這些電阻的熱噪聲會降低分辨率。在實(shí)際設(shè)計中，RTD模塊可能有多個通道，電流源會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，并且RTD模塊需要花費(fèi)更多時間對電容（如C1、C2和C3）進(jìn)行充電。很難平衡保護(hù)功能和準(zhǔn)確性。而且開關(guān)還需要防止高過壓。
　　在這種情況下，使用具有故障保護(hù)功能的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器可以提供開關(guān)和過壓保護(hù)。圖 9 顯示了一個例子。在圖 9 中，AD7124 前面有三個使用 ADG5243F 的 SPDT 開關(guān)，AIN1 和 AIN2 前面有兩個使用 ADG5462F 的可變電阻。這些組件可以通過使用具有用戶定義的故障保護(hù)和檢測功能的 ADG5243F 和 ADG5462F 來實(shí)現(xiàn)。
　　這些部件的突出特點(diǎn)是：
　　源極引腳受到保護(hù)，可防止高于次級供電軌的電壓（-55 V 至 +55 V）。
　　在未通電狀態(tài)下，源極引腳可免受 -55 V 至 +55 V 之間電壓的影響。
　　通過數(shù)字輸出的過壓檢測指示開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)。
　　溝槽隔離可防止閂鎖。
　　針對低電荷注入和導(dǎo)通電容進(jìn)行了優(yōu)化。
　　ADG5243F 可采用±5 V 至±22 V 雙電源或 8 V 至 44 V 單電源供電。
　　低漏電流、抗閂鎖性以及業(yè)界領(lǐng)先的 RON 平坦度也是這些器件的優(yōu)勢。低漏電流和低導(dǎo)電電阻可以提高該 RTD 模塊的精度和噪聲性能。
　　如果將正電壓或負(fù)電壓施加到 RTD 接口，漏極引腳上的電壓將被鉗位在 POSFV + VT 或 NEGFV – VT。如果 POSFV 設(shè)置為 4.5 V，NEGFV 設(shè)置為 AGND，則用于保護(hù) AD7124 的路由中的電阻串聯(lián)選擇起來就容易得多。如果在無電狀態(tài)下發(fā)生過壓，開關(guān)將保持高阻抗?fàn)顟B(tài)，有助于防止損壞部件。
　　這些部件的檢測功能可用于系統(tǒng)診斷。ADG5243F 和 ADG5462F 的源輸入端電壓受到持續(xù)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 引腳上的電壓指示任何源輸入引腳是否處于故障狀態(tài)。AD7124 提供許多強(qiáng)大的診斷功能，以確保系統(tǒng)安全。
　　處理器可以結(jié)合這些部件的診斷功能來構(gòu)建更為強(qiáng)大的系統(tǒng)。