設(shè)計說明

此電路展示了一種解決方案，用于在電阻式溫度檢測器 (RTD) 應(yīng)用中保護 Δ-Σ ADC ADS124S08 免受電過應(yīng)力 (EOS) 的影響。該保護電路旨在針對 ±30V 直流連續(xù)故障和更高瞬態(tài)故障提供保護。如果輸入端子意外連接到直流電源，則需要針對 ±30V 直流故障提供保護。±24V 是工業(yè)系統(tǒng)中的標準直流電源，因此 ±30V 保護可提供一定的設(shè)計裕度。該解決方案專為使用 PT100 RTD 傳感器的 3 線 RTD 輸入而開發(fā)，但該保護方法同樣適用于 2 線、4 線 RTD 輸入和 PT1000 RTD 傳感器。該保護電路包括一個外部瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管和一個限流電阻器，用于實現(xiàn)針對過應(yīng)力信號的外部保護鉗位，并將對測量精度的影響保持在最低水平。該電路在工廠自動化和控制系統(tǒng)內(nèi)可編程邏輯控制器 的溫度控制器和模擬輸入模塊中非常實用。有關(guān)保護高壓 SAR ADC 免受電過應(yīng)力影響的信息，請參閱采用 TVS 二極管的高電壓 ADC 電路輸入保護 和通過 TVS 二極管和 PTC 保險絲保護 ADC 的電路 電路設(shè)計。有關(guān)保護低壓 SAR ADC 免受電過應(yīng)力影響的信息，請參閱用于保護低壓 SAR ADC 免受電過應(yīng)力的影響且對性能影響超低的電路。

設(shè)計目標

設(shè)計說明

1. 通過考慮以下因素，我們選擇了 Bourns? 的雙向 TVS 二極管 SMBJ14CA 來保護 ADS124S08 的每個輸入免受電過應(yīng)力信號的影響：
   • 選擇 SMBJ 系列 TVS 二極管，以確保適當?shù)姆庋b尺寸和 600W 功率耗散能力
   • 選擇雙向 14V 關(guān)斷電壓，以將限流電阻上的功率耗散降至最低
2. 限流電阻器 R_P1、R_P2、R_P3、R_P4 和 R_P5 用于限制故障電流，以保護 TVS 二極管和 ADC，并且通過選擇合適的電阻值，還有助于鉗制二極管上的輸入過應(yīng)力信號。R_P2、R_P3、R_P4 和 R_P5 的高電阻值與 R_P1 的電阻值完全相同，以避免 TVS 二極管漏電流流經(jīng)這些電阻時由電阻失配引起的任何額外誤差。請注意，在保護 ADC 免受電過應(yīng)力影響的輸入保護電路 中，R_Lead1、R_Lead2 和 R_Lead3 代表等效的引線電阻。
3. 確保差分電容器的電容值大于或等于共模電容器電容值的 10 倍。確保差分濾波器的帶寬大于或等于數(shù)據(jù)速率的 10 倍。
4. 請參閱“TI 高精度實驗室 - ADC”中的“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器上的電過應(yīng)力”視頻系列。此視頻系列詳細討論了不同類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的保護解決方案，包括理論說明、二極管選擇、限流電阻器選擇和測試結(jié)果。

元件選型

1. ADC 輸入電壓范圍設(shè)置為導(dǎo)通內(nèi)部 ESD 二極管之前的最大電壓 (V_{in_Abs})。輸入電流范圍是內(nèi)部 ESD 二極管可連續(xù)支持的最大電流。
2. 當 AVDD 為 5V 時，ADS124S08 上的最大電壓為 5.3V，因此任何高于 5.3V 的正電過應(yīng)力信號都應(yīng)受到鉗位，以保護 ADS124S08 的輸入。此解決方案中選擇了雙向 TVS 二極管 SMBJ14CA 來保護 ADC 免受電過應(yīng)力信號的影響。該二極管將在 15.6V 至 17.9V 之間擊穿并可限制輸入電壓。該電壓電平超過 ADC 的絕對最大值，但限流電阻器與內(nèi)部 ESD 二極管 ADS124S08S 將保護器件。

   器件型號	MFG	反向關(guān)斷電壓 (VR)	擊穿電壓 (VBR)		最大鉗位電壓（IPP 時的 VC）	反向漏電流最大值 （VR 時的 IR）	峰值脈沖電流 (IPP)	峰值功率耗散 (PPP)	穩(wěn)態(tài)功率耗散 (PPP)
   			最小值	最大值
   SMBJ14CA	Bourns	14V	15.6	17.9	23.2V	1μA	25.9A	600W	5W

3. 此設(shè)計展示了適用于單路 IDAC 電流、低側(cè)外部基準和 3 線 RTD 測量的保護解決方案。IDAC 通道 AIN5 中的限流電阻器 R_P1 更為關(guān)鍵，因為 AIN5 引腳上的節(jié)點電壓受限于最大順從電壓，而對于 5V AVDD 電源，最大順從電壓為 4.6V。R_P1 和 R₁ 的高電阻值有助于限制故障電流并在故障條件下保護 ADC；但是，這些電阻器的高電阻值會在正常運行時增加 AIN5 引腳上的電壓，從而導(dǎo)致超出順從電壓。該保護解決方案旨在防止將 ±24V 電源誤接線到 RTD 測量電路輸入端而導(dǎo)致對 ADC 的損壞，同時考慮設(shè)計裕度，故障信號上限設(shè)定為 ±30V。ADS124S08 的絕對最大輸入電流額定值為 ±10mA，因此為了留出裕度，設(shè)計中采用了 ±5mA 的電流來限制流入 ADC 輸入的電流，并將通過 R_P1 的總故障電流限制為 ±25mA。

   EOS 故障電壓		ADC 輸入電壓（絕對）		ADC 輸入電流		故障電流
   VEOS_max	+30V	Vin_max	+5.3V	IADC_max	+5mA	Ifault_max	+25mA
   VEOS_min	-30V	Vin_min	-0.3V	IADC_min	-5mA	Ifault_min	-25mA

   R_P1 和 R₁ 由以下公式中的最大電阻值確定：

   對于 +30V 正過應(yīng)力電壓：

   $R_{P1}\ge \frac{V_{EOS\_max}-V_{BR\_min}}{I_{fault\_max}}=\frac{30 V-15.6 V}{25 mA}=576 \Omega \mathrm{ }\mathrm{ }\left(\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{ }\mathrm{u}\mathrm{p}\mathrm{ }\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{ }\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{d}\mathrm{ }590 \Omega \right)$
   $R_1\ge \frac{V_{BR\_min}-V_{in\_max}}{I_{ADC\_max}}=\frac{15.6 V-5.3 V}{5 mA}=2.06 k\Omega \mathrm{ }\mathrm{ }\left(\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{ }\mathrm{u}\mathrm{p}\mathrm{ }\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{ }\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{d}\mathrm{ }2.2 k\Omega \right)$

   對于 –30V 負過應(yīng)力電壓：

   $R_{P1}\ge \frac{V_{EOS\_min}-\left(-V_{BR\_min}\right)}{I_{fault\_min}}=\frac{-30 V-\left(-15.6 V\right)}{-25 mA}=576 \Omega \mathrm{ }\mathrm{ }\left(\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{ }\mathrm{u}\mathrm{p}\mathrm{ }\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{ }\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{d}\mathrm{ }590 \Omega \right)$
   $R_1\ge \frac{{-V}_{BR\_min}-V_{in\_max}}{I_{ADC\_min}}=\frac{-15.6 V-\left(-0.3 V\right)}{-5 mA}=3.06 k\Omega \mathrm{ }\mathrm{ }\left(\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{ }\mathrm{u}\mathrm{p}\mathrm{ }\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{ }\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{d}\mathrm{ }3.4 k\Omega \right)$

   為 R₁ 選擇 3.4kΩ 的較大電阻器，并為 R_P1 選擇 590Ω 的電阻器。

   以下公式計算了負電過應(yīng)力故障事件（這是這些電阻器的最壞情況）期間 R₁ 和 R_P1 上耗散的功率。目標是確保為電阻器 R₁ 和 R_P1 選擇正確的額定功率。

   $P_{RP1}=\frac{{\left(V_{EOS\_min}-\left(-V_{BR\_min}\right)\right)}^2}{R_{P1}}=\frac{{\left(-30 V-\left(-15.6 V\right)\right)}^2}{590 \Omega }=351 mW$

   因此，為 R_P1 選擇了 0.5W 的 P_RP1，確保有額外的設(shè)計裕度。

   $P_{R1}=\frac{{\left({-V}_{BR\_min}-V_{in\_min}\right)}^2}{R_1}=\frac{{\left(-15.6 V-\left(-0.3 V\right)\right)}^2}{3.4 k\Omega }=68.85 mW$

   因此，為 R₁ 選擇了 0.1W 的 P_R1，確保有額外的設(shè)計裕度。

4. –200°C 時，PT100 傳感器的電阻約為 20Ω，而在 +850°C 時則為 400Ω。R_REF 的電阻由 I_IDAC 電流流經(jīng) PT100 時 PT100 兩端的最大電壓 (R_RTD) 決定。為了盡量降低由 PT100 上自熱造成的誤差，這里選擇并配置了來自 AIN5 的 0.5mA 單 I_IDAC 電流。ADS124S08 上的 PGA 設(shè)置為 4。R_REF 上的最小電壓 (V_{REF_min}) 可通過以下公式計算：
   $V_{RTD\_max}=I_{IDAC}\times R_{RTD\_max}=0.5 mA\times 400 \Omega =0.2 V$
   $V_{REF\_min}=V_{RTD\_max}\times Gain=0.2 V\times 4=0.8 V$
   R_REF 上的電壓 (V_REF) 設(shè)置為 1V 以確保有一定的裕度。R_REF 的電阻由以下公式確定：
   $R_{REF}=\frac{V_{REF}}{I_{DAC}}=\frac{1 V}{0.5 mA}=2 k\Omega$
5. 輸入電阻器與其他通道中的差分和共模電容器并聯(lián)，用于濾除前端電路的噪聲。確切的電阻值并不重要，因為這些通道上沒有順從電壓限制，并且沒有 IDAC 電流流過它。
   $R_{flt}>R_1=3.4 k\Omega$
   $R_{flt}<10 k\Omega$
   ${?R}_{flt}=4.99 k\Omega$
   $f_{in\_Diff}>10\times Data\_Rate$
   $Data\_Rate=200 Hz$
   ${?f}_{in\_Diff}=3 kHz$
   $C_{flt\_diff}=\frac{1}{2\pi \times f_{in\_diff}\times \left(R_{RTD}+2\times R_{flt}+2\times R_P \right)}$
   $=\frac{1}{2\pi \times 3 kHz\times \left(400 \Omega +2\times 4.99 k\Omega +2\times 590 \Omega \right)}=4.6 nF$
   因此，為 C_{flt_diff} 選擇了標準值 4.7nF。
   $C_{flt}=\frac{C_{flt\_diff}}{10}=\frac{4.7 nF}{10}=470 pF$
   $C_{ref}=C_{flt}=470 pF$
   $R_{flt\_ref}=R_{flt}=4.99 k\Omega$

在硬件上測得的精度

具有輸入保護電路的 ADS124S08 測試板 展示了用于 RTD 測量的 ADS124S08 EOS 測試硬件板，該板采用了 Bourns 的 TVS 二極管 SMBJ14CA 和德州儀器 (TI) 的雙向 TVS 二極管 TVS1401 進行保護。測試板上的隔離式電源和數(shù)字通信電路專為 EMC（電磁兼容性）測試而設(shè)計，本文檔并未涉及這些測試。該測試板采用板載 TM4C1294NCPDT Tiva?Arm? 處理器，通過串行外設(shè)接口 (SPI) 與 ADC 通信，并通過通用串行總線 (USB) 接口與 PC 通信。該軟件包括從 EVM 工具頁面下載 Δ-Σ ADC 評估軟件安裝程序和 ADS124S08 器件軟件包安裝程序，用于從 ADC 收集轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并檢查性能。

下圖展示了用于測量精度和性能的測試設(shè)置。

接下來的幾個圖像展示了在從 –40°C 到 +85°C 的環(huán)境溫度范圍內(nèi)測量的滿標度和零標度 RTD 值的精度性能。該測試的目的是確認 TVS 二極管的漏電流在整個系統(tǒng)環(huán)境溫度范圍內(nèi)沒有造成顯著的誤差。測試結(jié)果表明，在整個溫度范圍內(nèi)，所有保護電路（包括 TVS 二極管和限流電阻）測得的精度 (<±0.05%) 均符合預(yù)期的精度要求 (±0.5%)。

在硬件上測得的分辨率

下一個圖像展示了使用德州儀器 (TI) 雙向 TVS 二極管 TVS1401 測量的有效位數(shù) (ENOB) 和無噪聲分辨率。該測試表明，保護電路對 ADC 噪聲性能沒有顯著影響。

ADC 輸入過壓條件

此電路使用過應(yīng)力直流信號進行了測試和驗證。為觀察保護電路的工作效果，向 EOS 測試板的輸入端施加了過應(yīng)力正弦波信號 (±60V_peak-peak)。IDAC 通道輸入端的仿真 EOS 信號和鉗位波形展示了在 ADS124S08 的 AIN5 輸入端捕獲的鉗位波形。外部 TVS 二極管已導(dǎo)通，過驅(qū)動信號被鉗位在 –200mV 和 +6.4V 之間。請注意，鉗位波形是在 IDAC 通道輸入端 (AIN5) 上捕獲的，因此 R₁ 的電阻值受到 ADS124S08 順從電壓限制的影響。ADS124S08 其他通道上的 R_flt 電阻器不受順從電壓的限制，因此使用了較大的 R_flt 電阻值來限制 ADC 輸入端的故障電流，并將過壓正弦波信號鉗位到小于 ADS124S08 上 +5.3V 的絕對最大輸入電壓。ADC 器件針對外部電過應(yīng)力信號受到了有效的保護。

設(shè)計中采用的器件