基于RTD的測量系統(tǒng)的過壓保護

Yao Zhao

RTD（電阻溫度檢測器）可以提供出色的穩(wěn)定性和準確性，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內(nèi)置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(yè)環(huán)境中，不正確的操作、粗心的連接和裸露的電線通常會導(dǎo)致過壓故障，這會損壞電子設(shè)備并造成損壞可能產(chǎn)生的不良后果。過壓保護能力是RTD模塊的關(guān)鍵規(guī)格。除了瞬態(tài)過壓保護之外，在實際生產(chǎn)過程中還必須考慮持久的過壓保護。

本文將重點介紹基于AD7124的具有過壓保護功能的多線RTD模塊以及過壓保護和檢測多路復(fù)用器和通道保護器的整體解決方案。本文可以幫助設(shè)計人員了解此方法并選擇合適的器件。

對于過壓保護功能，這里有三種可選解決方案：

在ADC引腳前面使用串聯(lián)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，但電阻將限制順從電壓。

電流源的保護可以通過分立元件來實現(xiàn)。該解決方案可以實現(xiàn)更高的過壓保護和更高的電壓順從性。但是，開關(guān)和多路復(fù)用器仍然暴露在外部。

ADI公司的過壓保護和檢測開關(guān)、多路復(fù)用器和通道保護器（ADG52xxF和ADG54xxF）可用于RTD模塊保護和不同線RTD傳感器開關(guān)。這些器件可在有源和未上電模式下提供±55 V故障電壓保護，并可實現(xiàn)具有閂鎖抗擾度的故障檢測。與傳統(tǒng)解決方案相比，其高密度封裝占用的PCB面積要小得多。

基于AD7124的RTD模塊

比率測量廣泛用于RTD模塊，因為它可以消除激勵電流源的誤差和漂移。圖1顯示了基于AD4-7124的8線RTD測量的典型示意圖。

圖1.基于AD4-7124的8線RTD比率測量。

AIN0提供激勵電流，AD7124集成基準電壓緩沖器和PGA、REF在和 A在是高阻抗輸入，因此相同的電流流過RTD傳感器和基準電阻。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果為輸入電壓之比（V即熱處理） 和基準電壓 （V裁判），等于 R 之間的比率即熱處理和 R裁判.如果 R裁判是已知的高精度穩(wěn)定基準電阻器，R即熱處理可以通過 R 計算裁判值和 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果。

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AD3的7124線RTD測量，這是性能和成本之間的折衷。

圖2.基于AD3-7124的8線RTD比率測量。

兩個集成、匹配良好的電流源有助于 3 線 RTD 測量。V裁判和 V即熱處理可以用以下兩個函數(shù)來表示：

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)換代碼表示為這兩個函數(shù)的組合：

根據(jù)此功能，RTD電阻值可以通過轉(zhuǎn)換結(jié)果和基準電阻值計算得出。詳情請參考CN-0383。

對于2線RTD，引線電阻引起的誤差無法消除，但這些類型的RTD傳感器的成本低于其他傳感器，AD7124-8可以配置為2線RTD傳感器，如圖3所示。

圖3.基于AD2-7124的8線RTD比率測量。

在實踐中，許多工業(yè)客戶要求RTD模塊的相同端口連接到許多不同類型的RTD傳感器，這有利于平衡RTD傳感器的成本和性能。圖4所示為RTD模塊的通用接口，可支持不同導(dǎo)線的RTD傳感器。

圖4.用于不同電線傳感器的 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，以便為不同接線的RTD傳感器進行配置。圖5顯示了基于AD7124-8及其開關(guān)的不同線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。RTD比率式溫度測量的模擬前端設(shè)計注意事項一文可提供指導(dǎo)。如果除了優(yōu)化噪聲性能外，現(xiàn)場還需要過壓保護，則額外的要求將導(dǎo)致許多額外的麻煩。

首先，AD7124的一些模擬引腳直接暴露在外部環(huán)境中，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止高過壓的發(fā)生。其次，三個開關(guān)需要承受高壓。

添加限流電阻器

在AD7124的每個引腳上增加限流電阻可以輕松為AD7124提供過壓保護。

圖6.AD7124-8模擬引腳內(nèi)部架構(gòu)

圖6所示為AD7124模擬引腳架構(gòu)。每個模擬引腳上有兩個箝位二極管，我們可以使用這些二極管直接實現(xiàn)保護，而不會引入任何其他漏電流。

圖 7 顯示了此方法的示意圖 — R1 到 R4 分別位于 AIN1、AIN2、REF+ 和 REF 的前面。此設(shè)置用于消除噪音。這些電阻可以同時用于限流，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(nèi)部箝位二極管可以防止一定程度的正負過壓。當發(fā)生正或負過壓故障時，電流將通過電阻和內(nèi)部箝位二極管流向AVDD或AVSS。根據(jù)AD10的絕對規(guī)格，電流值必須限制在7124 mA以下。如果 R限制等于3 kΩ，該模塊可防止±30 V持久過壓。

但是，R上會有壓降限制當此模塊在正常模式下工作時。如果激勵電流為500 μA，則R上的壓降限制將是 1.5 V，傳感器和 R 的電阻裁判將是有限的。增加 R限制可以得到更好的保護，但電阻范圍會更小。基于這種保護方法的過壓保護要求，順從電壓將隨著增加而降低。如果功耗為R裁判和 R返回處理好了，故障電壓會直接降在這兩個電阻上。

除AD7124-8模擬引腳外，開關(guān)也暴露在高壓下，因此我們應(yīng)該選擇能夠承受±30 V電壓的器件。在過去的幾年中，光MOS和繼電器已經(jīng)在這些情況下使用，但高昂的價格和大封裝限制了應(yīng)用領(lǐng)域。

使用分立晶體管保護電流源

使用限位電阻的最大缺點是SOURCE+上的順從電壓很低。使用分立晶體管和二極管可以實現(xiàn)過壓保護，并增加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進行過壓保護。

這種架構(gòu)可以使激勵電流在正常情況向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進行保護，因為模擬輸入引腳沒有順從電壓限制。

如果向該RTD傳感器施加較大的正電壓，D1會阻止電流源產(chǎn)生正高壓。如果對該RTD傳感器施加較大的負電壓，則Q1的集電極和基極之間的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，導(dǎo)致R上的高壓降B1和這個PN結(jié)，可以防止對AIN0的損壞。

在正常模式下，D2用作反向偏置二極管，使流過該器件的電流非常小。將Q1的發(fā)射極拋到基極的電流非常小，因此R上的電壓降B1可能會疏忽。這種方法可以保持比使用限流電阻更高的順從電壓，并保護更高的故障電壓。

使用具有過壓保護功能的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器

使用分立元件來保護這種高精度RTD模塊的缺點是顯而易見的——選擇合適的元件并不容易;這些部件使保護電路變得復(fù)雜;并且它們占據(jù)了很大的PCB面積。

盡管AD7124模擬輸入引腳的漏電流相當小，但這些引腳上的大電阻串聯(lián)，例如R1和 R2，會產(chǎn)生明顯的誤差，這些電阻的熱噪聲會降低分辨率。在實際設(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，較大的電阻值會增加模擬輸入RC組合的建立時間，RTD模塊應(yīng)該花費更多時間為電容器充電，例如C1， C2和 C3.很難平衡保護功能和準確性。開關(guān)仍然需要防止高過壓。

在這種情況下，使用具有故障保護功能的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器可以提供開關(guān)和過壓保護。圖 9 顯示了一個示例。

圖9.帶故障保護的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器。

在圖9中，AD5243前面有三個使用ADG7124F的SPDT開關(guān)，在AIN5462和AIN1前面有兩個使用ADG2F的可變電阻。這些元件可以使用ADG5243F和ADG5462F來實現(xiàn)，它們具有用戶定義的故障保護和檢測功能。

這些部分的突出特點是：

源極引腳具有高于次級電源軌（–55 V和+55 V）的電壓保護。

在未上電狀態(tài)下，源極引腳具有–55 V至+55 V電壓保護。

數(shù)字輸出的過壓檢測指示開關(guān)的工作狀態(tài)。

溝槽隔離可防止閂鎖。

針對低電荷注入和導(dǎo)通電容進行了優(yōu)化。

ADG5243F可以采用±5 V至±22 V雙電源或8 V至44 V單電源供電。

具有低漏電流和業(yè)界領(lǐng)先的 R 的閂鎖抗擾度上平整度也是這些部件的優(yōu)點。低泄漏和低導(dǎo)電電阻可以提高該RTD模塊的精度和噪聲性能。

如果對RTD接口施加正電壓或負電壓，漏極引腳上的電壓將被箝位在POSFV + VT或 NEGFV – VT.如果POSFV設(shè)置為4.5 V，NEGFV設(shè)置為AGND，則線路中用于保護AD7124的電阻串聯(lián)更容易選擇。如果在未通電狀態(tài)下發(fā)生過壓，開關(guān)將保持高阻抗狀態(tài)，有助于防止損壞器件。

這些部件的檢測功能可用于系統(tǒng)診斷。ADG5243F和ADG5462F源極輸入端的電壓受到持續(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引腳上的電壓指示是否有任何源輸入引腳遇到故障情況。AD7124提供許多強大的診斷功能，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)建更強大的系統(tǒng)。

總結(jié)

AD7124中的功能模塊和診斷功能提高了精度和魯棒性。在比較RTD模塊中的三種過壓保護方法后，使用具有過壓保護功能的模擬開關(guān)和多路復(fù)用器具有許多優(yōu)點：

使RTD模塊承受更高的故障電壓

低漏電流、低噪聲、短建立時間

取代傳統(tǒng)的繼電器和光電MOS，節(jié)省PCB面積和成本

診斷功能增強了系統(tǒng)穩(wěn)健性

易于使用

審核編輯：郭婷