如何设计一个稳健耐用的2线制

Kevin Duke

在我的上一篇帖子中，我谈到了集成技术是如何简化3线制模拟输出设计的。在这篇帖子中，我将为你展示一种方法来保护这些设计不受危险工业瞬变（会导致电气过应力）影响。

让我们从几个示例开始。在这些示例中，我们试着保护系统不受以下情况的影响：

在静电放电 （ESD） 不安全的环境中安装或校准某些系统，这样做会导致ESD损坏。

工业控制系统往往跨越很远距离并且有可能暴露在自然危险下，诸如雷击，的大型系统。

与环境寄生效应耦合在一起的开关瞬变会生成高频辐射和耦合射线。

你在保护模拟输出时所需要应对的瞬变情况与其生成的低压 （《24V） 和低频 （《10kHz） 信号十分不同。工业瞬变是高电压，高达15kV，和高频，通常情况下持续时间少于100ns。你的电路应该利用这些差异来提供保护，同时又不干扰模拟输出的信号完整性。

图1.衰减和转向概述

衰减和转向可被用来充分利用工业瞬变的高频和高压组件。图2显示了在4-20mA电流环路应用中使用这些策略来保护单通道，16位DAC8760的保护电路。

图2. 示例保护电路

衰减利用支持基于频率做出响应的无源组件，诸如铁氧体磁珠和电容器，来衰减高频信号。在图2中，每个输出端子上的100nF电容器与瞬变发生器的源阻抗相互作用来衰减高频信号。

我在电路的每一级之间加入了串联导通元器件，以限制那些被钳制到不同电压电势的节点间的电流。我将电阻器用作针对电流输出和电压输出内节点的串联导通元器件。铁氧体磁珠用作反馈环路之外的电压输出路径中的串联导通元器件，在仍旧限制高频电流的同时保持DC准确度。

转向使用二极管来改变高压信号方向，使其远离模拟信号链。然后，你可以使用瞬变电压抑制器 （TVS） 二极管将电能引入接地，或者使用肖特基钳位至电源轨二极管将电能引入电源轨。

如果你想学习更多与TVS二极管相关的知识，我希望你看看我的同事Art Kay的这个系列博客，在这些博客发帖中，Art Kay解释了几个关键参数并提供选择技巧。

简言之，你应该根据以下标准选择TVS二极管；

工作电压：二极管在不传导大电流时可以承受的最大电压。这个值应该足够高，以确保二极管不会影响正常的电路运行。

击穿电压：这个电压使TVS二极管开始导电。这个值应该足够低，以便将瞬变电压保持在电源轨范围内。

功率额定值：当二极管的确击穿时，他将传递很大的电能，需要相应地设定功率。

图2中还包括一个使用肖特基二极管的钳位至电源轨级，这个二极管有助于将瞬变值保持在电源轨的范围内，其原因有二：

TVS二极管击穿电压很少与电源配置相匹配。

TVS二极管击穿电压将随着其上所传递的电流的增加而增加。

虽然所有肖特基二极管应该具有低正向电压的特点，但是保护电路中使用的二极管需要在即使传导高电流时也保持低正向电压。

图2中的电路针对TIPD153开发而成，他是一款保护DAC8760不受IEC6100-4测试套件影响，通过工程评估的高精度设计。要获得与组件选择、布局布线指南和此设计的IEC6100-4测试结果相关的更多信息，请下载参考设计指南。

如果你在保护3线制模拟输出方面有任何问题，请在下方的评论意见中给我留言。我将在下个月解释如何设计一个稳健耐用的2线制，4-20mA发射器，别忘了来看看哟。

审核编辑：彭菁