ZHCABK8A January 2022 – August 2024 TMUX7308F , TMUX7309F , TMUX7348F , TMUX7349F , TMUX7411F , TMUX7412F , TMUX7413F , TMUX7436F , TMUX7462F
1 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)
引言
電阻式溫度檢測(cè)器 (RTD) 是一款能夠測(cè)量溫度信號(hào)轉(zhuǎn)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(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)器可供選用，具體取決于所需精度級(jí)別和預(yù)期成本。所有線制的測(cè)量系統(tǒng)都會(huì)測(cè)量 RRTD 的電壓，然后使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。
圖 1 采用 Δ-Σ ADC 的三線制 RTD 比率測(cè)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(cuò)誤、EOS（高于標(biāo)準(zhǔn)多路復(fù)用器額定值的瞬態(tài)條件）、閂鎖故障等。過(guò)壓保護(hù)是 RTD 模塊的理想規(guī)格，能夠保護(hù)整個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)電路。
本文討論了采用故障保護(hù)多路復(fù)用器和通道保護(hù)器的 RTD 輸入系統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)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(lì)電流來(lái)產(chǎn)生輸出電壓。激勵(lì)電流由包含多路復(fù)用器、PGA 和內(nèi)部基準(zhǔn)的 ADC 提供。兩線制系統(tǒng)兩端各有一條導(dǎo)線，三線制系統(tǒng)兩端各有一條導(dǎo)線，另一條導(dǎo)線可從任意端連接至測(cè)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(hù)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(lì)電流。
圖 2 具有分立式保護(hù)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(cè)點(diǎn)與 ADC 之間。為實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)，采用了多個(gè)解決方案：
- 在 ADC 引腳前使用串聯(lián)電阻，有助于保護(hù) ADC 引腳。這些引腳包括模擬輸入和激勵(lì)輸出引腳，但電阻器會(huì)限制順從電壓。
- 采用分立式元件實(shí)現(xiàn)電流源保護(hù)。限流電阻器和鉗位二極管可針對(duì)一些正負(fù)電壓電平提供保護(hù)。
- 用于比率測(cè)量的基準(zhǔn)電阻器會(huì)因電壓過(guò)高而損壞。此時(shí)，還需要使用限流電阻器和 TVS，以使電阻器不會(huì)過(guò)載。
- 將壓降限制在 ADC 安全水平內(nèi)，或者增加阻抗足夠高的濾波器網(wǎng)絡(luò)，以便 ADC 內(nèi)部導(dǎo)向二極管能夠處理過(guò)壓引起的電流。
- 使用 TMUX7412F 和 TMUX7462F 等故障保護(hù)多路復(fù)用器來(lái)保護(hù)源極引腳和模擬輸入通道免受過(guò)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(hù)。
圖 3 展示了采用多路復(fù)用器的 RTD 電路配置。
圖 3 采用多路復(fù)用器的 RTD 電路配置
TMUX7462F 是一款具有可調(diào)節(jié)故障閾值的四通道保護(hù)器，可置于信號(hào)路徑的前端，保護(hù)下游模擬輸入引腳不會(huì)因過(guò)壓故障而受損。四個(gè)通道中均有內(nèi)部開(kāi)關(guān)，可在發(fā)生過(guò)壓故障時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，無(wú)需外部控制。無(wú)需外部控制可使器件各通道不再需要控制信號(hào)，進(jìn)而簡(jiǎn)化穩(wěn)健系統(tǒng)級(jí)保護(hù)設(shè)計(jì)。TMUX7462F 在通電和斷電情況下均可提供過(guò)壓保護(hù)，適用于必須同時(shí)保護(hù)多個(gè)通道的應(yīng)用。要滿足更多通道數(shù)和多路復(fù)用需求，使用具有可調(diào)節(jié)故障閾值（次級(jí)電源）的 TMUX7348F 8:1 單通道多路復(fù)用器作為輸入多路復(fù)用器。
這些多路復(fù)用器可接受 ±5V 至 ±22V 范圍內(nèi)的輸入信號(hào)，并可保護(hù)電路免受潛在誤接線風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致的高壓（超出 VFN、VFP 范圍）影響，保護(hù)能力達(dá)到多路復(fù)用器的 ±60V 保護(hù)級(jí)別。
使用次級(jí)電源軌進(jìn)行保護(hù)
過(guò)壓期間，如果輸入 RTD 以高于 ADC 的電壓電平運(yùn)行，且 AIN 引腳承受高壓，VFP 和 VFN 就為 ADC 提供急需的保護(hù)。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(gè)次級(jí)電源 VFP 和 VFN 是設(shè)置觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)的電平所需的次級(jí)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(dá) ±15V（HV_AVDD、HV_AVSS）。對(duì)于 REF 電路和內(nèi)部電流源，其域?yàn)?+5/GND（AVDD、AGND）。對(duì)于將 VFP 和 VFN 連接到 AVDD/GND 域的 IDAC，為其引入故障保護(hù)多路復(fù)用器則能夠保護(hù) IDAC 引腳和 REF 輸入。
如果器件電源浮動(dòng)、接地或電平低于欠壓 (UV) 閾值，開(kāi)關(guān)通道都將保持高阻抗?fàn)顟B(tài)（無(wú)論開(kāi)關(guān)輸入條件如何）。如果任何 Sx 引腳上的信號(hào)電平超過(guò)故障電源（VFP 或 VFN）一個(gè)閾值電壓 (VT)，Sx 引腳都將變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)，一個(gè)輸出故障標(biāo)志將置于低電平，指示正常運(yùn)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(jié)
TMUX7412F 和 TMUX7462F 均為故障保護(hù)開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器系列器件。這些開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器能夠保護(hù)下游元件免受高達(dá) ±60V 過(guò)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(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器，不僅易于使用，還具有許多其它優(yōu)勢(shì)，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(shí)間等。
參考
- 德州儀器 (TI) E2E? 論壇，如何使用 ADC 設(shè)計(jì)精密 RTD 測(cè)量
- 德州儀器 (TI)，RTD 測(cè)量基本指南應(yīng)用手冊(cè)
- 德州儀器 (TI)，RTD 簡(jiǎn)介 高精度實(shí)驗(yàn)室視頻