对于电路保护：模拟输出多少才足够？

模拟输出驱动工厂和工厂中的电机和执行器。它们是可编程逻辑控制器 （PLC） 中的最后一个控制步骤。输出放大器通常驱动0至10V和4至20mA电路。它们需要针对高压电机故障、静电放电 （ESD）、电磁干扰 （EMI）、电磁敏感性 （EMS） 和射频干扰 （RFI） 提供保护。建议使用许多电路来满足应用要求。

保护取决于需要保护的内容及其价值。这很像钱。有人曾经告诉我，“如果现金是你的，就没有零用钱。经验丰富的工程师知道，正是小事导致了最大的问题。这种情况已经持续了很长时间。谚语“想要钉子”可以追溯到公元1200年代初，甚至本杰明富兰克林也在1758年出版了一个版本1.作为工程师，我们明白我们不能总是解决每一件事，但有时人们想要仰望工程师2并认为我们是超人，这使得图 1 中的经文有点滑稽。

图1.三期漫画书《正义联盟美国：钉子》中的一句谚语3.

漫画系列描述了一个不存在超人的世界。一颗钉子刺穿了马和帕肯特的卡车轮胎，耽误了他们，所以他们永远找不到婴儿超人的宇宙飞船。这个小小的变化意味着孩子不会成长为超人，世界永远处于危险之中。®

有时模拟输出电路保护会有这种感觉，因为我们不是超人。我们试图涵盖绝大多数情况，但我们担心导致故障的一件小事会在第一次使用时被第一个客户注意到。这实际上是墨菲定律的变体，所有可能出错的东西都会出错。

具有替代传输方式的模拟输出（保护）

随着工业革命的成熟，有多种手段可用于执行相同的功能。在达芬奇的时代，木制齿轮和螺钉、杆、杠杆和擒纵机构使受控运动成为可能。在蒸汽轮时代，活塞、杆、杠杆和调速器使工程师能够执行更多任务。在20世纪，电动机，执行器和接触器（继电器）开始由传感器和开关控制。很快，微处理器成为控制系统的大脑，从传感器获取信息并将模拟输出转化为行动。一个共同的等价物在控制工厂时变得有用。对于工程师来说，0 到 10V 的电压等于 4 到 20mA 的电流，这与每平方英寸 （psi） 3 到 15 磅的气动系统相同。最近，我们增加了其他串行通信方式，包括无线通信方式，用于模拟输出和执行器之间的通信。

模拟输出电路保护涵盖多种情况。了解环境和应用有助于我们决定应该采取哪些措施来保护模拟输出。让我们从检查第一个也是最简单的应用程序开始。

有一个输出电路，在距离它的几英尺内有一个它将要控制的低压执行器。它们使用相同的电源运行，并且在室内，在相当温和的办公环境中不受天气影响。第二个环境（仍然在室内）在几百英尺外的温控工厂中有一个执行器。在极端情况下，输出驱动器与执行器在暴露于雪、高湿度夏季和雷暴的空旷场地中物理上相隔约一公里（0.7 英里）。对于没有经验的工程师来说，担心的是设备保护是否足够或太少，以及它是否具有成本效益。

处理上述三种应用的实用方法，首先，附近的室内执行器可以由0至10V控制。由于它就在附近，因此对静电放电 （ESD）、电磁干扰 （EMI）、电磁敏感性 （EMS） 和射频干扰 （RFI） 的保护量可能最小化。在第二种情况下，几百英尺的距离将是4至20mA电流环路的候选者，因为它最大限度地减少了EMI、RFI和ESD拾取。最困难的是有热量、雪和闪电的地方，这可能适合采用混合方法。如果附近有建筑物，可以安装转换器或安装4至20mA电流环路作为建筑物的管道。从那里，通往执行器的 3psi 至 15psi 气动管路将允许在恶劣条件下进行控制，包括闪电。

设计方法

根据应用的不同，设计理念可以采取两条截然不同的路径。如图2所示，路径A按原样采用模拟输出板并提供零保护。或者在路径B中，添加所有模拟保护电路，如图所示。一些模拟输出保护电路是相互冲突的替代“或”选择。应用通常会采取一些中间立场，并包含图2保护的子集。

图2.20%/80%接口电路应用于模拟输出电路，以防止不必要的电气漏洞。

为什么会出现这种情况可以通过描述几个应用程序来最好地说明。工业设备的许多考虑因素中的两个是“平均故障前时间”（MTBF）和“平均修复时间”（MTTR）。对于集成电路制造商来说，理想的目标是制造完全自测的芯片。在工厂和现场上电时，该部件会完全自我测试，并打开一点绿灯说：“我很好。这是一个好主意，但可能不切实际。例如，额外的测试电路占用的空间是电路本身的五倍。测试成本得以节省，但额外硅片和MTBF的成本是否合理？这是一个好的投资回报吗？答案可能是否定的。电路故障频率高出五倍可能不是一个好的权衡，但在另一个应用中可能没问题。比较没有人可以在没有巨额成本的情况下修复的电路，例如太空探测器和卫星。也许一条赛道位于山顶上，那里的积雪每年有三个月无法进入。也许电路位于生命攸关的设备（如飞机）中，或者该电路可能很容易被人类技术人员访问。在每种情况下，都可以与MTTR交换不同级别的冗余改进MTBF。

为了深入了解两个工业可编程逻辑控制（PLC）应用，让我们讨论一个案例，其中电路板A与人类24/7在控制室中，在另一种情况下，电路板B被隔离在一个对人类来说太危险的地方。首先，在这两种情况下，我们决定通过数字隔离来限制系统指令。换句话说，所有输入和输出端口都包含隔离电源和数字隔离。这可以防止输出或输入上的破坏性高电压传播到整个系统并破坏整个系统。在情况 A 中，通过轻松更换电路板，MTTR 较低。但是，MTBF 可能不支持广泛的保护电路，并导致早期故障。在这种情况下，可能需要零或次要保护电路。可能有许多自我修复保护电路，甚至电路重复或一式三份。投票选择好的电路变得很重要。投票是指关键或生命保护系统中的冗余。例如，美国航天飞机设计有三台导航计算机来发射火箭和推进器。但是，如果一台计算机产生不同的结果，则两台好计算机将投票并忽略有故障的计算机。

现在让我们回到一些众所周知的电路保护原理，这些原理提供了用于模拟输出保护的多个重叠概念。查看图 2，ESD、EMI、EMS 和 RFI 器件4, 5可分为三类：

限压器件：气体放电放电器、金属氧化物压敏电阻、抑制二极管、三端双向可控硅、变音和开关。

限流和开关器件：保险丝、断路器和热断路器

滤波器、上升时间减速器：电阻器、电感器、线圈、铁氧体磁珠和电容器，所有这些都会减慢瞬态的上升时间，并随着时间的推移传播脉冲，从而使其他保护器件有时间发挥作用。低通滤波器还充当DAC输出的重建滤波器。每个电容器的工作电压和自谐振点需要与应用的频率和带宽相匹配。这些网络中的每一个都是互惠的;它们保护系统免受外部世界 （EMS） 的影响，并保护外部世界免受设备可能辐射的任何意外信号 （EMI） 的影响。

考虑到这一点，让我们研究图 2。反向工作，从右侧的输出开始，向左侧的输入开始。图2用于保护单极性系统，其中电压从地电压变为高压。如果输出驱动器可以处理双极性输出、地上和地下电压，则可以通过将其倒置并连接两个接地来保护地上和地下来重复图2。

F1，保护保险丝，表示保险丝、自复位断路器或热断路器。F1的替代品是PTC1（正温度系数）聚合物或陶瓷器件（不要忘记它们需要电流才能工作）或SW1，这是一种高压信号线保护器。这是一个感应高压的开关，关闭串联开关，然后打开箝位以降低放大器的电压量。D5是一个限流二极管，看起来像一个JFET，源极和漏极端子连接在一起。R4和R5是衰减高故障电压以保护输出驱动器的电阻。FB1可缩短脉冲上升时间并及时加宽脉冲，以降低EMI和ESD。

NE1是一种霓虹灯，可以用气体放电放电放电管或瞬态电压抑制器（TVS）代替或增强，TVS是一种将电压钳位到已知值的专用二极管。也可以使用其他限压器件、金属氧化物压敏电阻 （MOV）、齐纳抑制二极管、三端双向可控硅和 diac。

电容器是滤波功能的一部分。C1、C2和C3将高频分流至地RFI，并集成ESD脉冲，从而缩短其上升时间。形成更好的RC低通重建滤波器（具有附加极点）的电阻和电容包括R2和C3、R1和C2）。当电感L1取代R1、L1和C2（2极）或L1、C1和C2（3极）时，会产生一个具有额外衰减的低通重建滤波器。R1和R3用作滤波器端接电阻。

二极管 D1–D4 是 ESD 保护二极管，用于箝位放大器输入至电源。D3和D4是硅箝位二极管（0.6V至0.7V正向电压）。高速信号二极管用于低电流，较大的硅箝位二极管是用于较大电流的通用整流器（注意电压和额定功率）。二极管 D1 和 D2 是肖特基箝位二极管，正向电压为 0.25V 至 0.3V，可更紧密地箝位到电源轨。电阻R1、R2、R3和R4限制上述ESD箝位二极管中的电流。

请注意ESD二极管D1和D3上方的警告。通过二极管的ESD电压将试图提高电源电压。如果负载相对较大，电源稳压器将暂时降低其电流贡献，这些额外的能量必须流向某个地方。这允许负载耗散能量。其他电源可能同时能够提供电流和吸收电流，因此它们可以在将电源电压保持在适当水平方面发挥积极作用。请注意模拟输出板输出驱动器上的电源，当ESD二极管D1和D3的电源电流使VCC或电源轨不会过高时，齐纳DA将正向偏置。模拟输出板的二极管DB对负电源轨的作用相同。

最后， 应用， 电路成本， 可靠性， 电路板更换的难易程度， 和设计理念将决定应用多少保护.我们不是超人，我们不能向超级英雄寻求帮助。充其量，我们希望提供一份可能性清单，以帮助思考过程并帮助确保考虑最可能的条件。有意识地决定包含或排除电路元件比以后因为事先没有想到某些事情而感到惊讶要好得多。

审核编辑：郭婷