模擬輸出驅動工廠和工廠中的電機和執行器。它們是可編程邏輯控制器 （PLC） 中的最后一個控制步驟。輸出放大器通常驅動0至10V和4至20mA電路。它們需要針對高壓電機故障、靜電放電 （ESD）、電磁干擾 （EMI）、電磁敏感性 （EMS） 和射頻干擾 （RFI） 提供保護。建議使用許多電路來滿足應用要求。

保護取決于需要保護的內容及其價值。這很像錢。有人曾經告訴我，“如果現金是你的，就沒有零用錢。經驗豐富的工程師知道，正是小事導致了最大的問題。這種情況已經持續了很長時間。諺語“想要釘子”可以追溯到公元1200年代初，甚至本杰明富蘭克林也在1758年出版了一個版本1.作為工程師，我們明白我們不能總是解決每一件事，但有時人們想要仰望工程師2并認為我們是超人，這使得圖 1 中的經文有點滑稽。

圖1.三期漫畫書《正義聯盟美國：釘子》中的一句諺語3.

漫畫系列描述了一個不存在超人的世界。一顆釘子刺穿了馬和帕肯特的卡車輪胎，耽誤了他們，所以他們永遠找不到嬰兒超人的宇宙飛船。這個小小的變化意味著孩子不會成長為超人，世界永遠處于危險之中。?

有時模擬輸出電路保護會有這種感覺，因為我們不是超人。我們試圖涵蓋絕大多數情況，但我們擔心導致故障的一件小事會在第一次使用時被第一個客戶注意到。這實際上是墨菲定律的變體，所有可能出錯的東西都會出錯。

具有替代傳輸方式的模擬輸出（保護）

隨著工業革命的成熟，有多種手段可用于執行相同的功能。在達芬奇的時代，木制齒輪和螺釘、桿、杠桿和擒縱機構使受控運動成為可能。在蒸汽輪時代，活塞、桿、杠桿和調速器使工程師能夠執行更多任務。在20世紀，電動機，執行器和接觸器（繼電器）開始由傳感器和開關控制。很快，微處理器成為控制系統的大腦，從傳感器獲取信息并將模擬輸出轉化為行動。一個共同的等價物在控制工廠時變得有用。對于工程師來說，0 到 10V 的電壓等于 4 到 20mA 的電流，這與每平方英寸 （psi） 3 到 15 磅的氣動系統相同。最近，我們增加了其他串行通信方式，包括無線通信方式，用于模擬輸出和執行器之間的通信。

模擬輸出電路保護涵蓋多種情況。了解環境和應用有助于我們決定應該采取哪些措施來保護模擬輸出。讓我們從檢查第一個也是最簡單的應用程序開始。

有一個輸出電路，在距離它的幾英尺內有一個它將要控制的低壓執行器。它們使用相同的電源運行，并且在室內，在相當溫和的辦公環境中不受天氣影響。第二個環境（仍然在室內）在幾百英尺外的溫控工廠中有一個執行器。在極端情況下，輸出驅動器與執行器在暴露于雪、高濕度夏季和雷暴的空曠場地中物理上相隔約一公里（0.7 英里）。對于沒有經驗的工程師來說，擔心的是設備保護是否足夠或太少，以及它是否具有成本效益。

處理上述三種應用的實用方法，首先，附近的室內執行器可以由0至10V控制。由于它就在附近，因此對靜電放電 （ESD）、電磁干擾 （EMI）、電磁敏感性 （EMS） 和射頻干擾 （RFI） 的保護量可能最小化。在第二種情況下，幾百英尺的距離將是4至20mA電流環路的候選者，因為它最大限度地減少了EMI、RFI和ESD拾取。最困難的是有熱量、雪和閃電的地方，這可能適合采用混合方法。如果附近有建筑物，可以安裝轉換器或安裝4至20mA電流環路作為建筑物的管道。從那里，通往執行器的 3psi 至 15psi 氣動管路將允許在惡劣條件下進行控制，包括閃電。

設計方法

根據應用的不同，設計理念可以采取兩條截然不同的路徑。如圖2所示，路徑A按原樣采用模擬輸出板并提供零保護。或者在路徑B中，添加所有模擬保護電路，如圖所示。一些模擬輸出保護電路是相互沖突的替代“或”選擇。應用通常會采取一些中間立場，并包含圖2保護的子集。

圖2.20%/80%接口電路應用于模擬輸出電路，以防止不必要的電氣漏洞。

為什么會出現這種情況可以通過描述幾個應用程序來最好地說明。工業設備的許多考慮因素中的兩個是“平均故障前時間”（MTBF）和“平均修復時間”（MTTR）。對于集成電路制造商來說，理想的目標是制造完全自測的芯片。在工廠和現場上電時，該部件會完全自我測試，并打開一點綠燈說：“我很好。這是一個好主意，但可能不切實際。例如，額外的測試電路占用的空間是電路本身的五倍。測試成本得以節省，但額外硅片和MTBF的成本是否合理？這是一個好的投資回報嗎？答案可能是否定的。電路故障頻率高出五倍可能不是一個好的權衡，但在另一個應用中可能沒問題。比較沒有人可以在沒有巨額成本的情況下修復的電路，例如太空探測器和衛星。也許一條賽道位于山頂上，那里的積雪每年有三個月無法進入。也許電路位于生命攸關的設備（如飛機）中，或者該電路可能很容易被人類技術人員訪問。在每種情況下，都可以與MTTR交換不同級別的冗余改進MTBF。

為了深入了解兩個工業可編程邏輯控制（PLC）應用，讓我們討論一個案例，其中電路板A與人類24/7在控制室中，在另一種情況下，電路板B被隔離在一個對人類來說太危險的地方。首先，在這兩種情況下，我們決定通過數字隔離來限制系統指令。換句話說，所有輸入和輸出端口都包含隔離電源和數字隔離。這可以防止輸出或輸入上的破壞性高電壓傳播到整個系統并破壞整個系統。在情況 A 中，通過輕松更換電路板，MTTR 較低。但是，MTBF 可能不支持廣泛的保護電路，并導致早期故障。在這種情況下，可能需要零或次要保護電路。可能有許多自我修復保護電路，甚至電路重復或一式三份。投票選擇好的電路變得很重要。投票是指關鍵或生命保護系統中的冗余。例如，美國航天飛機設計有三臺導航計算機來發射火箭和推進器。但是，如果一臺計算機產生不同的結果，則兩臺好計算機將投票并忽略有故障的計算機。

現在讓我們回到一些眾所周知的電路保護原理，這些原理提供了用于模擬輸出保護的多個重疊概念。查看圖 2，ESD、EMI、EMS 和 RFI 器件4, 5可分為三類：

限壓器件：氣體放電放電器、金屬氧化物壓敏電阻、抑制二極管、三端雙向可控硅、變音和開關。

限流和開關器件：保險絲、斷路器和熱斷路器

濾波器、上升時間減速器：電阻器、電感器、線圈、鐵氧體磁珠和電容器，所有這些都會減慢瞬態的上升時間，并隨著時間的推移傳播脈沖，從而使其他保護器件有時間發揮作用。低通濾波器還充當DAC輸出的重建濾波器。每個電容器的工作電壓和自諧振點需要與應用的頻率和帶寬相匹配。這些網絡中的每一個都是互惠的;它們保護系統免受外部世界 （EMS） 的影響，并保護外部世界免受設備可能輻射的任何意外信號 （EMI） 的影響。

考慮到這一點，讓我們研究圖 2。反向工作，從右側的輸出開始，向左側的輸入開始。圖2用于保護單極性系統，其中電壓從地電壓變為高壓。如果輸出驅動器可以處理雙極性輸出、地上和地下電壓，則可以通過將其倒置并連接兩個接地來保護地上和地下來重復圖2。

F1，保護保險絲，表示保險絲、自復位斷路器或熱斷路器。F1的替代品是PTC1（正溫度系數）聚合物或陶瓷器件（不要忘記它們需要電流才能工作）或SW1，這是一種高壓信號線保護器。這是一個感應高壓的開關，關閉串聯開關，然后打開箝位以降低放大器的電壓量。D5是一個限流二極管，看起來像一個JFET，源極和漏極端子連接在一起。R4和R5是衰減高故障電壓以保護輸出驅動器的電阻。FB1可縮短脈沖上升時間并及時加寬脈沖，以降低EMI和ESD。

NE1是一種霓虹燈，可以用氣體放電放電放電管或瞬態電壓抑制器（TVS）代替或增強，TVS是一種將電壓鉗位到已知值的專用二極管。也可以使用其他限壓器件、金屬氧化物壓敏電阻 （MOV）、齊納抑制二極管、三端雙向可控硅和 diac。

電容器是濾波功能的一部分。C1、C2和C3將高頻分流至地RFI，并集成ESD脈沖，從而縮短其上升時間。形成更好的RC低通重建濾波器（具有附加極點）的電阻和電容包括R2和C3、R1和C2）。當電感L1取代R1、L1和C2（2極）或L1、C1和C2（3極）時，會產生一個具有額外衰減的低通重建濾波器。R1和R3用作濾波器端接電阻。

二極管 D1–D4 是 ESD 保護二極管，用于箝位放大器輸入至電源。D3和D4是硅箝位二極管（0.6V至0.7V正向電壓）。高速信號二極管用于低電流，較大的硅箝位二極管是用于較大電流的通用整流器（注意電壓和額定功率）。二極管 D1 和 D2 是肖特基箝位二極管，正向電壓為 0.25V 至 0.3V，可更緊密地箝位到電源軌。電阻R1、R2、R3和R4限制上述ESD箝位二極管中的電流。

請注意ESD二極管D1和D3上方的警告。通過二極管的ESD電壓將試圖提高電源電壓。如果負載相對較大，電源穩壓器將暫時降低其電流貢獻，這些額外的能量必須流向某個地方。這允許負載耗散能量。其他電源可能同時能夠提供電流和吸收電流，因此它們可以在將電源電壓保持在適當水平方面發揮積極作用。請注意模擬輸出板輸出驅動器上的電源，當ESD二極管D1和D3的電源電流使VCC或電源軌不會過高時，齊納DA將正向偏置。模擬輸出板的二極管DB對負電源軌的作用相同。

最后， 應用， 電路成本， 可靠性， 電路板更換的難易程度， 和設計理念將決定應用多少保護.我們不是超人，我們不能向超級英雄尋求幫助。充其量，我們希望提供一份可能性清單，以幫助思考過程并幫助確保考慮最可能的條件。有意識地決定包含或排除電路元件比以后因為事先沒有想到某些事情而感到驚訝要好得多。

審核編輯：郭婷