瞬態(tài)電壓保護 - ADI實驗室電路:完整的HART兼容型4mA至20mA解決方案

AD5422 內(nèi)置ESD保護二極管，可防止正常操作造成的損害。但是，工業(yè)控制環(huán)境會使I/O電路遭受高得多的瞬變。為了防止過高瞬態(tài)電壓影響AD5422，可能需要外部功率二極管和浪涌電流限制電阻，如圖1所示。對電阻值的約束條件（圖1中顯示為18Ω）是，在正常工作期間，IOUT的輸出電平必須保持在其順從電壓限值（AVDD ? 2.5 V）以內(nèi)，并且這兩個保護二極管和電阻必須具有適當(dāng)?shù)念~定功率。在18Ω的條件下，對于4 mA至20 mA輸出，引腳處的順從限值降低V = IMAX × R = 0.36 V。 OP184 緩沖器的正輸入端還連接了一個10 kΩ電阻，用以限制瞬態(tài)期間的電流來保護放大器。通過瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）或瞬態(tài)吸收器可實現(xiàn)進一步的保護。這些元件包括單向和雙向抑制器，可提供各種各樣的隔離和擊穿電壓額定值。TVS應(yīng)盡量采用最低擊穿電壓定標(biāo)，同時在電流輸出的功能范圍內(nèi)不導(dǎo)通。建議保護所有遠程連接節(jié)點。

在許多過程控制應(yīng)用中，需要在控制器與受控單元之間提供一個隔離柵，以保護和隔離控制電路，防止危險的共模電壓破壞電路。

ADI公司的iCoupler系列產(chǎn)品可隔離高于2.5 kV的電壓。為了減少所需隔離器的數(shù)量，CLEAR等非關(guān)鍵信號可以連到GND；FAULT和SDO可以不連接，從而只需要隔離三個信號。不過請注意，F(xiàn)AULT或SDO引腳是訪問AD5422的故障檢測功能所必需的。

常見變化

圖1所示電路的一個常見變化是使用 AD5422AD5420，它類似于AD5422，但只有一個電流輸出。因此，其輸出端沒有OP184緩沖器配置。這種AD5420和AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器電路詳見CN-0270。電路筆記CN-0065提供有關(guān)IEC61000兼容解決方案的額外信息，該解決方案適合使用AD5422和ADuM1401數(shù)字隔離器的全隔離式輸出模塊。電路筆記CN-0233包含有關(guān)提供電源和數(shù)據(jù)隔離的信息，所使用的是ADuM3471 PWM控制器和具有四通道隔離器的變壓器驅(qū)動器。

如果需要多個通道，可使用AD5755-1四通道電壓和電流輸出DAC。該產(chǎn)品具有創(chuàng)新型片內(nèi)動態(tài)電源控制功能，在電流模式下，可以最大限度地降低封裝功耗。各通道均有一個相應(yīng)的CHARTx引腳， 因此HART信號可以耦合至AD5755-1的電流輸出端。

電路評估與測試

要構(gòu)建此電路， 需要使用 AD5422評估板 （ EVAL-AD5422EBZLFCSP P版本）和 AD5700-1評估板 （EVAL-AD5700-1EBZ）1EBZ），參見圖11。除了這兩個評估板之外，該電路還需要三個外部電容（C1、CH和CL）、一個電阻（RH）、一個負載電阻（RL）、一個緩沖放大器以及一個UART接口。

設(shè)備要求 需要以下設(shè)備：

AD5422 評估板（ EVAL-AD5422EBZ LFCSP版本）

AD5700 評估板（ EVAL-AD5700-1EBZ）

運行Windows? XP的PC，帶USB端口

主機控制器和UART接口（標(biāo)準微控制器， 例如 ADuC7060）

10.8 V至60 V的電源

數(shù)字測試濾波器（HCF_TOOL-31，可從HART通信基金會獲得）

500Ω負載電阻

OP184 放大器（位于單獨的試驗板上且?guī)в羞B接線）

外部電容C1 （4.7 nF）、CH （8.2 nF）和CL （4.7 nF）；電阻RH （27 kΩ）

Tektronix DS1012B示波器或等同產(chǎn)品

圖11. 測試設(shè)置框圖

靜默期間噪聲測量 AD5422 LFCSP

如前文所述，對于靜默測試期間的輸出噪聲，AD5700調(diào)制解調(diào)器并未在發(fā)射數(shù)據(jù)（靜默）。AD5422設(shè)置為輸出所需的電流并通過HART通信基金會帶通濾波器。接著使用Tektronix TDS1012B示波器測量輸出噪聲；結(jié)果顯示輸出噪聲在HART通信基金會協(xié)議規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

模擬變化率測量 — AD5422 LFCSP

模擬變化率規(guī)范可確保當(dāng)AD5422調(diào)節(jié)電流時，模擬電流的最大變化率不會干擾HART通信。電流的階躍變化會擾亂HART信號。為進行這個測試，AD5422被編程為輸出一個4 mA至20 mA切換的周期波形，該波形在兩個值上都沒有延遲，以獲得最大變化率。所用的壓擺率設(shè)置為SR時鐘= 3和SR階躍= 2，C1設(shè)置為4.7 nF，C2保持開路。

此外，再將SR時鐘設(shè)置改變?yōu)?而不是3，并保持其它所有設(shè)置和元件值不變，從而進一步降低壓擺率，由此另外進行測量；至于相關(guān)影響，可比較圖9和圖10來得出。

靜默期間噪聲測量 —AD5422 TSSOP

另外還執(zhí)行了額外測量，以模擬AD5422 TSSOP封裝選項在這種配置下的表現(xiàn)；不過，沒有連接在CAP1引腳的電容（C1）（因為此器件的TSSOP版本沒有CAP1引腳）。

雖然與有C1的LFCSP器件相比，沒有C1時測得的靜默期間輸出噪聲值更大，但還是在HART通信基金會協(xié)議規(guī)范要求的范圍內(nèi)。圖12和圖13中的通道2顯示了有HCF_TOOL-31濾波器時的寬帶噪聲，IOUT為4 mA時結(jié)果為530μV rms，IOUT為12 mA時結(jié)果為690μV rms。可將這些曲線圖與圖7及圖8進行比較，以體現(xiàn)有無C1的影響如何。

圖12. 無C1且輸出電流為4 mA時HART濾波器輸入（通道1）和輸出（通道2）端的噪聲

圖13. 無C1且輸出電流為12 mA時HART濾波器輸入（通道1）和輸出（通道2）端的噪聲