基于RTD的测量系统的过压保护

Yao Zhao

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内置两个匹配良好的电流源、PGA、基准电压缓冲器和诊断功能，非常适合高可靠性RTD模块。

在工业环境中，不正确的操作、粗心的连接和裸露的电线通常会导致过压故障，这会损坏电子设备并造成损坏可能产生的不良后果。过压保护能力是RTD模块的关键规格。除了瞬态过压保护之外，在实际生产过程中还必须考虑持久的过压保护。

本文将重点介绍基于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的整体解决方案。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，这里有三种可选解决方案：

在ADC引脚前面使用串联电阻有助于轻松保护AD7124。这些引脚包括模拟输入和激励输出引脚，但电阻将限制顺从电压。

电流源的保护可以通过分立元件来实现。该解决方案可以实现更高的过压保护和更高的电压顺从性。但是，开关和多路复用器仍然暴露在外部。

ADI公司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RTD传感器开关。这些器件可在有源和未上电模式下提供±55 V故障电压保护，并可实现具有闩锁抗扰度的故障检测。与传统解决方案相比，其高密度封装占用的PCB面积要小得多。

基于AD7124的RTD模块

比率测量广泛用于RTD模块，因为它可以消除激励电流源的误差和漂移。图1显示了基于AD4-7124的8线RTD测量的典型示意图。

图1.基于AD4-7124的8线RTD比率测量。

AIN0提供激励电流，AD7124集成基准电压缓冲器和PGA、REF在和 A在是高阻抗输入，因此相同的电流流过RTD传感器和基准电阻。ADC转换结果为输入电压之比（V即热处理） 和基准电压 （V裁判），等于 R 之间的比率即热处理和 R裁判.如果 R裁判是已知的高精度稳定基准电阻器，R即热处理可以通过 R 计算裁判值和 ADC 转换结果。

通过使用4线RTD配置，系统可以实现高精度和可靠性，并且可以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AD3的7124线RTD测量，这是性能和成本之间的折衷。

图2.基于AD3-7124的8线RTD比率测量。

两个集成、匹配良好的电流源有助于 3 线 RTD 测量。V裁判和 V即热处理可以用以下两个函数来表示：

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

将转换代码表示为这两个函数的组合：

根据此功能，RTD电阻值可以通过转换结果和基准电阻值计算得出。详情请参考CN-0383。

对于2线RTD，引线电阻引起的误差无法消除，但这些类型的RTD传感器的成本低于其他传感器，AD7124-8可以配置为2线RTD传感器，如图3所示。

图3.基于AD2-7124的8线RTD比率测量。

在实践中，许多工业客户要求RTD模块的相同端口连接到许多不同类型的RTD传感器，这有利于平衡RTD传感器的成本和性能。图4所示为RTD模块的通用接口，可支持不同导线的RTD传感器。

图4.用于不同电线传感器的 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，以便为不同接线的RTD传感器进行配置。图5显示了基于AD7124-8及其开关的不同线RTD传感器的框图。AD7124-8支持4通道、2线/3线/4线RTD测量。

图5.基于AD7124-8的不同线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。

	S1	S2	S3	我分机1	我分机2
2 线式热电阻	闭	闭	打开	使	禁用
3 线式热电阻	闭	打开	闭	使	使
4 线实时音频	打开	打开	打开	使	禁用

通过计算选择合适的电阻和电容值可以优化噪声性能。RTD比率式温度测量的模拟前端设计注意事项一文可提供指导。如果除了优化噪声性能外，现场还需要过压保护，则额外的要求将导致许多额外的麻烦。

首先，AD7124的一些模拟引脚直接暴露在外部环境中，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止高过压的发生。其次，三个开关需要承受高压。

添加限流电阻器

在AD7124的每个引脚上增加限流电阻可以轻松为AD7124提供过压保护。

图6.AD7124-8模拟引脚内部架构

图6所示为AD7124模拟引脚架构。每个模拟引脚上有两个箝位二极管，我们可以使用这些二极管直接实现保护，而不会引入任何其他漏电流。

图 7 显示了此方法的示意图 — R1 到 R4 分别位于 AIN1、AIN2、REF+ 和 REF 的前面。此设置用于消除噪音。这些电阻可以同时用于限流，在AIN0和AIN3前面增加限流电阻可以保护AD7124的其余裸露模拟引脚。

图7.在ADC输入引脚前面添加限流电阻。

这些电阻和内部箝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，电流将通过电阻和内部箝位二极管流向AVDD或AVSS。根据AD10的绝对规格，电流值必须限制在7124 mA以下。如果 R限制等于3 kΩ，该模块可防止±30 V持久过压。

但是，R上会有压降限制当此模块在正常模式下工作时。如果激励电流为500 μA，则R上的压降限制将是 1.5 V，传感器和 R 的电阻裁判将是有限的。增加 R限制可以得到更好的保护，但电阻范围会更小。基于这种保护方法的过压保护要求，顺从电压将随着增加而降低。如果功耗为R裁判和 R返回处理好了，故障电压会直接降在这两个电阻上。

除AD7124-8模拟引脚外，开关也暴露在高压下，因此我们应该选择能够承受±30 V电压的器件。在过去的几年中，光MOS和继电器已经在这些情况下使用，但高昂的价格和大封装限制了应用领域。

使用分立晶体管保护电流源

使用限位电阻的最大缺点是SOURCE+上的顺从电压很低。使用分立晶体管和二极管可以实现过压保护，并增加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进行过压保护。

这种架构可以使激励电流在正常情况向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进行保护，因为模拟输入引脚没有顺从电压限制。

如果向该RTD传感器施加较大的正电压，D1会阻止电流源产生正高压。如果对该RTD传感器施加较大的负电压，则Q1的集电极和基极之间的PN结处于反向偏置状态，导致R上的高压降B1和这个PN结，可以防止对AIN0的损坏。

在正常模式下，D2用作反向偏置二极管，使流过该器件的电流非常小。将Q1的发射极抛到基极的电流非常小，因此R上的电压降B1可能会疏忽。这种方法可以保持比使用限流电阻更高的顺从电压，并保护更高的故障电压。

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模块的缺点是显而易见的——选择合适的元件并不容易;这些部件使保护电路变得复杂;并且它们占据了很大的PCB面积。

尽管AD7124模拟输入引脚的漏电流相当小，但这些引脚上的大电阻串联，例如R1和 R2，会产生明显的误差，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，较大的电阻值会增加模拟输入RC组合的建立时间，RTD模块应该花费更多时间为电容器充电，例如C1， C2和 C3.很难平衡保护功能和准确性。开关仍然需要防止高过压。

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 显示了一个示例。

图9.带故障保护的模拟开关和多路复用器。

在图9中，AD5243前面有三个使用ADG7124F的SPDT开关，在AIN5462和AIN1前面有两个使用ADG2F的可变电阻。这些元件可以使用ADG5243F和ADG5462F来实现，它们具有用户定义的故障保护和检测功能。

这些部分的突出特点是：

源极引脚具有高于次级电源轨（–55 V和+55 V）的电压保护。

在未上电状态下，源极引脚具有–55 V至+55 V电压保护。

数字输出的过压检测指示开关的工作状态。

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可以采用±5 V至±22 V双电源或8 V至44 V单电源供电。

具有低漏电流和业界领先的 R 的闩锁抗扰度上平整度也是这些部件的优点。低泄漏和低导电电阻可以提高该RTD模块的精度和噪声性能。

如果对RTD接口施加正电压或负电压，漏极引脚上的电压将被箝位在POSFV + VT或 NEGFV – VT.如果POSFV设置为4.5 V，NEGFV设置为AGND，则线路中用于保护AD7124的电阻串联更容易选择。如果在未通电状态下发生过压，开关将保持高阻抗状态，有助于防止损坏器件。

这些部件的检测功能可用于系统诊断。ADG5243F和ADG5462F源极输入端的电压受到持续监控。低电平有效数字输出引脚FF指示开关的状态。FF引脚上的电压指示是否有任何源输入引脚遇到故障情况。AD7124提供许多强大的诊断功能，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强大的系统。

总结

AD7124中的功能模块和诊断功能提高了精度和鲁棒性。在比较RTD模块中的三种过压保护方法后，使用具有过压保护功能的模拟开关和多路复用器具有许多优点：

使RTD模块承受更高的故障电压

低漏电流、低噪声、短建立时间

取代传统的继电器和光电MOS，节省PCB面积和成本

诊断功能增强了系统稳健性

易于使用

审核编辑：郭婷