Kevin Duke

在我的上一篇帖子中，我談到了集成技術是如何簡化3線制模擬輸出設計的。在這篇帖子中，我將為你展示一種方法來保護這些設計不受危險工業瞬變（會導致電氣過應力）影響。

讓我們從幾個示例開始。在這些示例中，我們試著保護系統不受以下情況的影響：

在靜電放電 （ESD） 不安全的環境中安裝或校準某些系統，這樣做會導致ESD損壞。

工業控制系統往往跨越很遠距離并且有可能暴露在自然危險下，諸如雷擊，的大型系統。

與環境寄生效應耦合在一起的開關瞬變會生成高頻輻射和耦合射線。

你在保護模擬輸出時所需要應對的瞬變情況與其生成的低壓 （《24V） 和低頻 （《10kHz） 信號十分不同。工業瞬變是高電壓，高達15kV，和高頻，通常情況下持續時間少于100ns。你的電路應該利用這些差異來提供保護，同時又不干擾模擬輸出的信號完整性。

圖1.衰減和轉向概述

衰減和轉向可被用來充分利用工業瞬變的高頻和高壓組件。圖2顯示了在4-20mA電流環路應用中使用這些策略來保護單通道，16位DAC8760的保護電路。

圖2. 示例保護電路

衰減利用支持基于頻率做出響應的無源組件，諸如鐵氧體磁珠和電容器，來衰減高頻信號。在圖2中，每個輸出端子上的100nF電容器與瞬變發生器的源阻抗相互作用來衰減高頻信號。

我在電路的每一級之間加入了串聯導通元器件，以限制那些被鉗制到不同電壓電勢的節點間的電流。我將電阻器用作針對電流輸出和電壓輸出內節點的串聯導通元器件。鐵氧體磁珠用作反饋環路之外的電壓輸出路徑中的串聯導通元器件，在仍舊限制高頻電流的同時保持DC準確度。

轉向使用二極管來改變高壓信號方向，使其遠離模擬信號鏈。然后，你可以使用瞬變電壓抑制器 （TVS） 二極管將電能引入接地，或者使用肖特基鉗位至電源軌二極管將電能引入電源軌。

如果你想學習更多與TVS二極管相關的知識，我希望你看看我的同事Art Kay的這個系列博客，在這些博客發帖中，Art Kay解釋了幾個關鍵參數并提供選擇技巧。

簡言之，你應該根據以下標準選擇TVS二極管；

工作電壓：二極管在不傳導大電流時可以承受的最大電壓。這個值應該足夠高，以確保二極管不會影響正常的電路運行。

擊穿電壓：這個電壓使TVS二極管開始導電。這個值應該足夠低，以便將瞬變電壓保持在電源軌范圍內。

功率額定值：當二極管的確擊穿時，他將傳遞很大的電能，需要相應地設定功率。

圖2中還包括一個使用肖特基二極管的鉗位至電源軌級，這個二極管有助于將瞬變值保持在電源軌的范圍內，其原因有二：

TVS二極管擊穿電壓很少與電源配置相匹配。

TVS二極管擊穿電壓將隨著其上所傳遞的電流的增加而增加。

雖然所有肖特基二極管應該具有低正向電壓的特點，但是保護電路中使用的二極管需要在即使傳導高電流時也保持低正向電壓。

圖2中的電路針對TIPD153開發而成，他是一款保護DAC8760不受IEC6100-4測試套件影響，通過工程評估的高精度設計。要獲得與組件選擇、布局布線指南和此設計的IEC6100-4測試結果相關的更多信息，請下載參考設計指南。

如果你在保護3線制模擬輸出方面有任何問題，請在下方的評論意見中給我留言。我將在下個月解釋如何設計一個穩健耐用的2線制，4-20mA發射器，別忘了來看看喲。