基于 RTD 的测量系统的过压保护

出处:维库电子市场网 发布于:2024-06-13 16:13:33 | 784 次阅读

  是否可以设计一个具有过压保护功能的完整 RTD 模块?RTD(电阻温度检测器)可以提供出色的稳定性和准确性,并减少噪声和干扰的影响。RTD 传感器可以由 2 线、3 线或 4 线版本组成,并且需要激励电流来产生输出电压。
  AD7124-4/AD7124-8 包含两个匹配良好的电流源、一个 PGA、参考缓冲器和诊断功能,非常适合高可靠性 RTD 模块。
  在工业环境中,操作不当、连接不当和电线裸露通常会导致过压故障,从而损坏电子设备并导致由此造成的不良后果。过压保护能力是 RTD 模块的关键规格。除了瞬时过压保护外,实际生产中还必须考虑持久的过压保护。
  本文将重点介绍如何为基于 AD7124 的具有过压保护功能的多线 RTD 模块以及过压保护和检测多路复用器和通道保护器提供整体解决方案。本文可以帮助设计人员了解此方法并选择合适的器件。
  对于过压保护功能,有以下三种可选解决方案:
  在 ADC 引脚前使用串联电阻可以轻松保护 AD7124。这些引脚包括模拟输入和激励输出引脚,但电阻会限制顺从电压。
  电流源的保护可以用分立元件来实现。这种解决方案可以实现更高的过压保护和更大的电压顺从性。然而,开关和多路复用器仍然暴露在外部。
  ADI 的过压保护和检测开关、多路复用器和通道保护器(ADG52xxF 和 ADG54xxF)可用于 RTD 模块保护和不同线路 RTD 传感器切换。这些部件可在通电和断电模式下提供 ±55 V 故障电压保护,并可实现具有闩锁免疫力的故障检测。它们的高密度封装占用的 PCB 面积比传统解决方案小得多。
  基于AD7124的RTD模块

  比率测量在RTD模块中应用广泛,因为它可以消除激励电流源的误差和漂移。图1是基于AD7124-8的4线RTD测量典型图。

  图 1:基于 AD7124-8 的 4 线 RTD 比率测量

  图 2:基于 AD7124-8 的 3 线 RTD 比率测量

  AIN0提供激励电流,AD7124集成基准缓冲器和PGA,REFIN和AIN为高阻抗输入,因此相同的电流流过RTD传感器和基准
  AIN0 提供激励电流,AD7124 集成基准缓冲器和 PGA,REFIN 和 AIN 为高阻抗输入,因此流过 RTD 传感器和基准电阻的电流相同。ADC 转换结果是输入电压 (VRTD) 与基准电压 (VREF) 的比值,等于 RRTD 与 RREF 的比值。如果 RREF 是已知的、高精度且稳定的基准电阻,则可以通过 RREF 值和 ADC 转换结果计算出 RRTD。
  通过使用 4 线 RTD 配置,系统可实现高精度和高可靠性,并可消除引线电阻引起的误差。因此,成本高于 3 线或 2 线配置。图 2 显示了基于 AD7124 的 3 线 RTD 测量,这是性能和成本之间的折衷。
  两个集成且匹配良好的电流源有助于 3 线 RTD 测量。VREF 和 VRTD 可以用以下两个函数表示:

  AD7124 具有两个匹配良好的电流源,这意味着 IEXC0 接近或等于 IEXC1,并且引线电阻 RL1 和 RL2 非常相似。函数可以表示为:

  将转换代码表达为这两个函数的组合:

 

  根据该函数可以通过转换结果和参考电阻值计算出RTD电阻值.

  图 3:基于 AD7124-8 的 2 线 RTD 比率测量
  对于2线RTD,由于引线电阻引起的误差无法消除,但这种类型的RTD传感器的成本低于其他传感器,并且AD7124-8可以配置为2线RTD传感器,如图3所示。

  实际应用中,很多工业客户要求RTD模块的同一个接口可以连接多种不同类型的RTD传感器,以方便平衡RTD传感器的成本和性能。图4给出了RTD模块的通用接口,可以支持不同线制的RTD传感器。

 
  图 4:不同线传感器的 RTD 接口

  由于这一要求,这种类型的 RTD 模块需要通过固件轻松配置,以适应不同线制的 RTD 传感器。图 5 显示了基于一个 AD7124-8 及其开关的不同线制 RTD 传感器的框图。AD7124-8 可支持 4 通道、2 线/3 线/4 线 RTD 测量。

  图 5:基于 AD7124-8 的不同线制 RTD 传感器测量
  使用控制器可以轻松更改不同传感器的配置,表 1 显示了不同配置的开关和电流源状态。
  通过计算选择合适的电阻和电容值可以优化噪声性能。文章“RTD 比率温度测量的模拟前端设计考虑因素”可以提供指导。
  如果除了优化噪声性能之外,现场还需要过压保护,那么额外的要求会带来很多额外的麻烦。
  首先,AD7124的一些模拟引脚直接暴露在外部环境中,而根据AD7124在25°C下的绝对最大额定值,AVSS的模拟输入电压应在-0.3 V至AVDD +0.3 V之间,这意味着该模块无法防御高过压的发生。其次,三个开关需要承受高电压。
  添加限流电阻

  在AD7124的每个引脚上添加限流电阻可以轻松为AD7124提供过压保护。

  图6显示了AD7124模拟引脚架构。每个模拟引脚上都有两个钳位二极管,我们可以直接使用这些二极管来实现保护,而不会引入任何其他漏电流。

  图6:AD7124-8模拟引脚内部架构

  图 7 显示了该方法的示意图 - R1 至 R4 分别位于 AIN1、AIN2、REF+ 和 REF– 前面。此设置用于消除噪声。这些电阻可同时用于限流,在 AIN0 和 AIN3 前面添加限流电阻可以保护 AD7124 其余裸露的模拟引脚。

 
  图 7:在 ADC 输入引脚前添加限流电阻
  这些电阻和内部钳位二极管可以防止一定程度的正向和负向过压。当发生正向或负向过压故障时,电流将流过
  这些电阻和内部钳位二极管可以防止一定程度的正负过压。当发生正或负过压故障时,电流将流过电阻和内部钳位二极管到 AVDD 或 AVSS。根据 AD7124 的绝对规格,电流值必须限制在 10 mA 以下。如果 RLimit 等于 3 kΩ,该模块可以防止 ±30 V 的持久过压。
  但是该模块在正常工作时,RLIMIT上会有压降,如果激励电流为500μA,RLIMIT上的压降为1.5V,传感器和RREF的阻值会受到限制,增加RLIMIT可以得到更好的保护,但阻值范围会变小。这种保护方式,随着过压保护要求的提高,顺从电压会降低。如果考虑到RREF和RReturn的功耗,故障电压会直接落在这两个电阻上。
  除了AD7124-8模拟引脚外,开关管也暴露在高压下,因此应选择能防护±30V电压的器件。过去几年,光MOS和继电器被用于这些场合,但价格高、封装大,限制了应用范围。
  使用分立晶体管保护电流源

  使用限流电阻的最大缺点是SOURCE+上的顺从电压较低。使用分立晶体管和二极管可以实现过压保护并提高SOURCE+引脚上的最大允许电压。图8显示了此方法的示意图。

  图 8:使用分立晶体管和二极管实现过压保护
  这种架构可以保证激励电流在正常情况下流向 RTD 传感器,并防止高过压损坏。其他模拟输入引脚可以通过限流电阻保护,因为模拟输入引脚没有顺从电压限制。
  如果将较大的正电压施加到该 RTD 传感器上,D1 会阻止电流源受到正高电压的影响。如果将较大的负电压施加到该 RTD 传感器上,Q1 集电极和基极之间的 PN 结会处于反向偏置,导致 RB1 和该 PN 结上出现高压降,从而防止 AIN0 受损。
  在正常模式下,D2 充当反向偏置二极管,使流过该部分的电流非常小。从 Q1 的发射极到基极的电流非常小,因此 RB1 上的压降可以忽略不计。这种方法可以保持顺从电压高于使用限流电阻,并防御更高的故障电压。
  使用具有过压保护功能的模拟开关和多路复用器

  使用分立元件来保护这种高精度 RTD 模块的弱点是显而易见的——选择合适的元件并不容易;这些部件使保护电路变得复杂,并且占用了很大的 PCB 面积。

  图 9:具有故障保护功能的模拟开关和多路复用器
  尽管AD7124模拟输入引脚的漏电流很小,但这些引脚上的大电阻串联(如R1和R2)会产生明显的误差,并且这些电阻的热噪声会降低分辨率。在实际设计中,RTD模块可能有多个通道,电流源会从一个通道切换到另一个通道,大电阻值会增加模拟输入RC组合的建立时间,并且RTD模块需要花费更多时间对电容(如C1、C2和C3)进行充电。很难平衡保护功能和准确性。而且开关还需要防止高过压。
  在这种情况下,使用具有故障保护功能的模拟开关和多路复用器可以提供开关和过压保护。图 9 显示了一个例子。在图 9 中,AD7124 前面有三个使用 ADG5243F 的 SPDT 开关,AIN1 和 AIN2 前面有两个使用 ADG5462F 的可变电阻。这些组件可以通过使用具有用户定义的故障保护和检测功能的 ADG5243F 和 ADG5462F 来实现。
  这些部件的突出特点是:
  源极引脚受到保护,可防止高于次级供电轨的电压(-55 V 至 +55 V)。
  在未通电状态下,源极引脚可免受 -55 V 至 +55 V 之间电压的影响。
  通过数字输出的过压检测指示开关的运行状态。
  沟槽隔离可防止闩锁。
  针对低电荷注入和导通电容进行了优化。
  ADG5243F 可采用±5 V 至±22 V 双电源或 8 V 至 44 V 单电源供电。
  低漏电流、抗闩锁性以及业界领先的 RON 平坦度也是这些器件的优势。低漏电流和低导电电阻可以提高该 RTD 模块的精度和噪声性能。
  如果将正电压或负电压施加到 RTD 接口,漏极引脚上的电压将被钳位在 POSFV + VT 或 NEGFV – VT。如果 POSFV 设置为 4.5 V,NEGFV 设置为 AGND,则用于保护 AD7124 的路由中的电阻串联选择起来就容易得多。如果在无电状态下发生过压,开关将保持高阻抗状态,有助于防止损坏部件。
  这些部件的检测功能可用于系统诊断。ADG5243F 和 ADG5462F 的源输入端电压受到持续监控。低电平有效数字输出引脚 FF 指示开关的状态。FF 引脚上的电压指示任何源输入引脚是否处于故障状态。AD7124 提供许多强大的诊断功能,以确保系统安全。
  处理器可以结合这些部件的诊断功能来构建更为强大的系统。
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