ZHCABK8A January 2022 – August 2024 TMUX7308F , TMUX7309F , TMUX7348F , TMUX7349F , TMUX7411F , TMUX7412F , TMUX7413F , TMUX7436F , TMUX7462F
1 應用簡報
引言
電阻式溫度檢測器 (RTD) 是一款能夠測量溫度信號轉換的卓越器件，具有超高精度（比熱電偶更精確），能夠處理比熱敏電阻更高的溫度，有助于降低外部噪聲。各種使用兩線制、三線制或四線制測量系統(tǒng)的檢測器可供選用，具體取決于所需精度級別和預期成本。所有線制的測量系統(tǒng)都會測量 RRTD 的電壓，然后使用模數(shù)轉換器 (ADC) 將其轉換為數(shù)字格式。
圖 1 采用 Δ-Σ ADC 的三線制 RTD 比率測量
工業(yè)環(huán)境中的集成電路在多種故障情況下都有可能造成損壞。這類故障情況包括但不限于：誤接線等人為錯誤、EOS（高于標準多路復用器額定值的瞬態(tài)條件）、閂鎖故障等。過壓保護是 RTD 模塊的理想規(guī)格，能夠保護整個信號調節(jié)電路。
本文討論了采用故障保護多路復用器和通道保護器的 RTD 輸入系統(tǒng)過壓保護解決方案。
使用高分辨率 ADC 的 RTD 輸入模塊
RTD 傳感器需要激勵電流來產生輸出電壓。激勵電流由包含多路復用器、PGA 和內部基準的 ADC 提供。兩線制系統(tǒng)兩端各有一條導線，三線制系統(tǒng)兩端各有一條導線，另一條導線可從任意端連接至測量電路。
圖 2 展示了帶有 Δ-Σ ADC 并使用分立式元件提供保護的 RTD 輸入系統(tǒng)基本方框圖。如圖所示，IDAC1/2 為 RTD 傳感器提供激勵電流。
圖 2 具有分立式保護功能的三線制 RTD 輸入系統(tǒng)
通常情況下，在圖 2 所示布局中，分立式元件位于電源或檢測點與 ADC 之間。為實現(xiàn)過壓保護，采用了多個解決方案：
- 在 ADC 引腳前使用串聯(lián)電阻，有助于保護 ADC 引腳。這些引腳包括模擬輸入和激勵輸出引腳，但電阻器會限制順從電壓。
- 采用分立式元件實現(xiàn)電流源保護。限流電阻器和鉗位二極管可針對一些正負電壓電平提供保護。
- 用于比率測量的基準電阻器會因電壓過高而損壞。此時，還需要使用限流電阻器和 TVS，以使電阻器不會過載。
- 將壓降限制在 ADC 安全水平內，或者增加阻抗足夠高的濾波器網絡，以便 ADC 內部導向二極管能夠處理過壓引起的電流。
- 使用 TMUX7412F 和 TMUX7462F 等故障保護多路復用器來保護源極引腳和模擬輸入通道免受過壓事件影響。在通電和斷電模式下，這些器件均可提供 ±60V 故障電壓保護。
圖 3 展示了采用多路復用器的 RTD 電路配置。
圖 3 采用多路復用器的 RTD 電路配置
TMUX7462F 是一款具有可調節(jié)故障閾值的四通道保護器，可置于信號路徑的前端，保護下游模擬輸入引腳不會因過壓故障而受損。四個通道中均有內部開關，可在發(fā)生過壓故障時自動關閉，無需外部控制。無需外部控制可使器件各通道不再需要控制信號，進而簡化穩(wěn)健系統(tǒng)級保護設計。TMUX7462F 在通電和斷電情況下均可提供過壓保護，適用于必須同時保護多個通道的應用。要滿足更多通道數(shù)和多路復用需求，使用具有可調節(jié)故障閾值（次級電源）的 TMUX7348F 8:1 單通道多路復用器作為輸入多路復用器。
這些多路復用器可接受 ±5V 至 ±22V 范圍內的輸入信號，并可保護電路免受潛在誤接線風險導致的高壓（超出 VFN、VFP 范圍）影響，保護能力達到多路復用器的 ±60V 保護級別。
使用次級電源軌進行保護
過壓期間，如果輸入 RTD 以高于 ADC 的電壓電平運行，且 AIN 引腳承受高壓，VFP 和 VFN 就為 ADC 提供急需的保護。VFP 和 VFN 可配置為與 ADC 電源電壓相匹配，有助于將電壓鉗制至 ADC 電源電壓以下。
器件上的兩個次級電源 VFP 和 VFN 是設置觸發(fā)過壓保護的電平所需的次級電源。VFP 的供電范圍為 3V 至 VDD，VFN 的供電范圍為 VSS 至 0V。
部分 ADC 的高壓輸入可達 ±15V（HV_AVDD、HV_AVSS）。對于 REF 電路和內部電流源，其域為 +5/GND（AVDD、AGND）。對于將 VFP 和 VFN 連接到 AVDD/GND 域的 IDAC，為其引入故障保護多路復用器則能夠保護 IDAC 引腳和 REF 輸入。
如果器件電源浮動、接地或電平低于欠壓 (UV) 閾值，開關通道都將保持高阻抗狀態(tài)（無論開關輸入條件如何）。如果任何 Sx 引腳上的信號電平超過故障電源（VFP 或 VFN）一個閾值電壓 (VT)，Sx 引腳都將變?yōu)楦咦杩範顟B(tài)，一個輸出故障標志將置于低電平，指示正常運行中出現(xiàn)故障。漏極引腳 (Dx) 將被拉至超出范圍的故障電源電壓或保持懸空，具體取決于 DR 控制邏輯。
總結
TMUX7412F 和 TMUX7462F 均為故障保護開關和多路復用器系列器件。這些開關和多路復用器能夠保護下游元件免受高達 ±60V 過壓事件的影響，且具備閂鎖抑制特性，非常適合惡劣環(huán)境。在 RTD 輸入系統(tǒng)中使用模擬開關和多路復用器，不僅易于使用，還具有許多其它優(yōu)勢，包括使 RTD 模塊免受故障電壓影響、降低噪聲和縮短穩(wěn)定時間等。
參考
- 德州儀器 (TI) E2E? 論壇，如何使用 ADC 設計精密 RTD 測量
- 德州儀器 (TI)，RTD 測量基本指南應用手冊
- 德州儀器 (TI)，RTD 簡介 高精度實驗室視頻