基于RTD的測量系統(tǒng)的過壓保護

出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2025-03-27 17:01:42 | 289 次閱讀

　　是否可以設計具有過電壓保護的完整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導致工業(yè)環(huán)境中的過度壓力，這會損壞電子設備并造成不良后果，而后果可能會導致?lián)p壞。電壓保護能力是RTD模塊的關鍵規(guī)范。在瞬態(tài)過電壓保護之外，必須在實際生產過程中考慮持久的過電壓保護。
　　本文將重點介紹如何為具有過電壓保護功能的多線RTD模塊提供總體解決方案，該模塊基于AD7124，以及過電壓保護和檢測多路復用器和通道保護器。本文可以幫助設計師理解此方法并選擇適當?shù)脑O備。
　　對于過電壓保護功能，這里有三個可選解決方案：
　　在ADC銷釘前使用串聯(lián)電阻可以幫助保護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。
　　當前源的保護可以通過離散組件來實現(xiàn)。該解決方案可以實現(xiàn)更高的過電壓保護和較大的電壓合規(guī)性。但是，開關和多路復用器仍在外部暴露。
　　ADI的過電壓保護和檢測開關，多路復用器和通道保護器（ADG52XXF和ADG54XXF）可用于RTD模塊保護和不同的電線RTD傳感器開關。這些零件可以在動力和無動力模式下提供±55 V故障電壓保護，并可以通過閂鎖免疫實施故障檢測。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
　　比率測量值廣泛用于RTD模塊，因為它可以消除激發(fā)電流源的誤差和漂移。圖1顯示了基于AD7124-8的4線RTD測量的典型圖。
　　

　　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。 ADC轉換結果是輸入電壓（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轉換結果來計算RRTD。
　　通過使用4線RTD配置，系統(tǒng)可以實現(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測量，這是性能和成本之間的折衷。

　　兩個集成良好的電流來源有助于3線RTD測量。 VREF和VRTD可以通過以下兩個功能表示：

　　AD7124具有兩個匹配良好的電流源，這意味著IEXC0接近或等于IEXC1，鉛電阻RL1和RL2非常相似。這些功能可以表示為：

　　將轉換代碼表示為這兩個功能的組成：

　　根據(jù)此函數(shù)，RTD電阻值可以通過轉換結果和參考電阻值計算。有關詳細信息，請參考CN-0383。
　　

　　圖3：基于AD7124-8的2線RTD比率測量
　　對于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測量。

　　圖5：基于AD7124-8的不同電線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和當前源狀態(tài)。

　
　　通過計算選擇適當?shù)碾娮韬?a target="_blank">電容器值可以優(yōu)化噪聲性能。 RTD比率溫度測量值的文章模擬前端設計注意事項可以提供指導。
　　如果除了優(yōu)化的噪聲性能外，還需要過度電壓保護，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以下的絕對最大等級，對AVSS的模擬輸入電壓應在-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，三個開關需要具有高電壓。
　　添加電流限制電阻
　　在AD7124的每個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。
　　圖6顯示了AD7124模擬引腳體系結構。每個模擬引腳都有兩個夾緊二極管，我們可以使用這些二極管直接實現(xiàn)保護，而無需引入任何其他泄漏電流。

　　圖6：AD7124-8模擬銷內部體系結構
　　圖7顯示了該方法的圖-R1至R4分別在AIN1，AIN2，REF+和REF的前面。此設置用于消除噪聲。這些電阻可以同時用于電流極限，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
　　這些電阻和內部夾緊二極管可以防止某種水平的正和負電壓。當發(fā)生正或負電壓故障時，電流將流過
　　這些電阻和內部夾緊二極管可以防止某種水平的正和負電壓。當發(fā)生正極或負電壓斷層時，電流將流過電阻器和內部夾具二極管轉向AVDD或AVS。根據(jù)AD7124的絕對規(guī)范，當前值必須限于小于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，當此模塊在正常模式下工作時，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，但阻力范圍會較小。根據(jù)此保護方法，合規(guī)性電壓將隨著過電壓保護要求的增加而降低。如果負責RREF和Retrurn的功耗，則故障電壓將直接降低這兩個電阻。
　　除了AD7124-8模擬引腳外，開關也暴露在高壓下，因此我們應該選擇可以防御±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，但是高價和大包裝限制了應用領域。
　　使用離散的晶體管保護當前源

　　使用極限電阻器的最大弱點是源+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現(xiàn)過電壓保護并增加源+引腳上的最大電壓。圖8顯示了此方法的圖。

　　圖8：使用離散晶體管和二極管進行過電壓保護
　　該架構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。另一個模擬輸入引腳可以受到當前限制電阻的保護，因為模擬輸入引腳沒有依從性電壓限制。
　　如果將大型正電壓應用于該RTD傳感器，則D1可防止當前源從正高壓。如果將大型負電壓應用于該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PN連接處導致高電壓下降，這可以防止對AIN0損壞。
　　在正常模式下，D2充當反向偏置二極管，它使流經(jīng)該部分的流動非常小。當前流動Q1的發(fā)射器的目前很少，因此RB1上的電壓下降可能會被忽略。與使用當前限制電阻器相比，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功能的模擬開關和多路復用器

　　使用離散組件保護此高精度RTD模塊的弱點很明顯 - 選擇合適的組件并不容易；這些零件使保護電路變得復雜，它們占據(jù)了大型PCB區(qū)域。

　　圖9：具有故障保護的模擬開關和多路復用器
　　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）會產生明顯的誤差，并且這些電阻器的熱噪聲會降低分辨率。在實際設計中，RTD模塊可能具有多個通道，當前源將從一個通道切換到另一個通道，大電阻值增加了模擬輸入RC組合的沉降時間，并且RTD模塊應花費更多時間來為電容器充電，例如C1，C2和C3。很難平衡保護功能和準確性。而且開關仍然需要防止高電壓。
　　在這種情況下，使用模擬開關和具有故障保護的多路復用器可以提供開關和過電壓保護。圖9顯示了一個示例。在圖9中，使用AD7124前面的ADG5243F共有三個SPDT開關，在AIN1和AIN2前使用ADG5462F的兩個可變電阻器。這些組件可以通過使用具有用戶定義的故障保護和檢測功能的ADG5243F和ADG5462F來實現(xiàn)。
　　這些部分的突出特征是：
　　源銷受保護的電壓，可從–55 V和+55 V大于次級供應軌。
　　源銷受保護的電壓，可從–55 V和+55 V大于次級供應軌。
　　源銷在無動力狀態(tài)下可保護源銷–55 V和+55 V之間的電壓。
　　用數(shù)字輸出的過電壓檢測指示開關的工作狀態(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的單個電源進行操作。
　　這些零件的優(yōu)勢也是閂鎖的免疫力，其泄漏電流和行業(yè)領先的RON平整度也是如此。低泄漏和低導電電阻可以提高此RTD模塊的準確性和噪聲性能。
　　如果將正電壓或負電壓應用于RTD界面，則排水銷的電壓將在POSFV + VT或NEGFV – VT處夾緊。如果將POSFV設置為4.5 V，并且NegFV設置為AGND，則該路線中用于保護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，則開關保持高阻抗狀態(tài)并有助于防止零件損壞。
　　這些零件的檢測功能可用于系統(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)安全提供許多強大的診斷功能。

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