如何保护备用传输方式的模拟输出（保护）电路

本应用笔记介绍了如何保护模拟输出电路以及为什么要对其进行保护。作为系统性能的必要组成部分之一，应仔细设计模拟输出电路。它们的单个输出极大地影响了系统的整体效率。

简介

模拟量输出驱动工厂和工厂中的电动机和执行器。它们是过程逻辑控制器（PLC）中的最后控制步骤。输出放大器通常驱动0至10V和4至20mA的电路。他们需要针对高压电机故障，静电放电（ESD），电磁干扰（EMI），电磁敏感性（EMS）和射频干扰（RFI）进行保护。建议使用许多电路以满足应用要求。

保护取决于需要保护的内容及其价值。这很像金钱。曾经有人告诉我，“如果有的话，现金就是零用钱。” 经验丰富的工程师知道，小问题会导致最大的问题。很长时间以来就是这种方式。谚语“欠缺钉子”可以追溯到公元1200年代初，甚至本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）也在1758年发布了一个版本。作为工程师，我们了解到我们无法始终修复所有问题，但有时人们希望仰望工程师并认为我们是超人，这使图1中的经文有点可笑。

这是一本三期漫画书《美国正义联盟：指甲》中的一句谚语。

漫画系列描述了一个不存在超人的世界。钉子刺穿了Ma和Pa Kent的卡车轮胎，拖了下来，使他们再也找不到超级超人的太空飞船了。这种微小的变化意味着孩子不会成长为超人，世界永远处于危险之中。

有时，由于我们不是超人，因此模拟输出电路保护也有这种感觉。我们试图涵盖绝大多数情况，但我们担心会导致失败的一小件事会在第一时间使用的第一位客户就会注意到。这确实是墨菲定律的一种变体，所有可能出错的地方都会出错。

具有备用传输方式的模拟输出（保护）

随着工业革命的成熟，可以使用多种方法来执行相同的功能。在达芬奇（Leonardo da Vinci）时代，木质齿轮和螺钉，杆，杠杆和擒纵机构使受控运动成为可能。在蒸汽轮时代，活塞，活塞杆，杠杆和限速器使工程师能够执行更多任务。在20世纪，电动机，执行器和接触器（继电器）开始受到传感器和开关的控制。不久，微处理器就成为控制系统的大脑，从传感器获取信息并将模拟输出转换为动作。常见的等效性在控制工厂方面变得很有用。对于工程师而言，0至10V的电压等于4至20mA的电流，并且与3至15磅/平方英寸（psi）的气动系统相同。最近，

模拟输出电路保护涵盖了多种情况。了解环境和应用有助于我们确定保护模拟输出应采取的措施。让我们从检查第一个也是最简单的应用程序开始。

有一个输出电路，在它的几英尺内有一个将要控制的低压致动器。它们使用相同的电源供电，并且位于室内，在良好的办公环境中不受天气影响。第二种环境（仍在室内）在一个温度受控的工厂中有一个数百英尺远的执行器。在极端情况下，输出驱动器在暴露于雪，夏季高湿和雷暴的空旷地上与执行器之间的距离约为一公里（0.7英里）。对于没有经验的工程师来说，担心的是对于设备的保护是否足够或太少以及是否具有成本效益。

处理上述三种应用的一种实用方法是，首先可以通过0到10V来控制附近的室内执行器。因为它靠近，所以对静电放电（ESD），电磁干扰（EMI），电磁磁化率（EMS）和射频干扰（RFI）的保护量可能会最小化。在第二种情况下，几百英尺的距离将是4至20mA电流环路的候选者，因为它最大程度地降低了EMI，RFI和ESD拾取。最困难的地方是有热，雪和闪电的地方，这很可能会采用混合方法。如果附近有建筑物，则可以安装转换器或安装4至20mA的电流环路作为通往建筑物的管道。从那里，

设计方法

设计原理可以采取两种截然不同的路径，具体取决于应用程序。如图2所示，路径A使模拟输出板保持原样，并提供零保护。或在路径B中，如图所示添加所有模拟保护电路。一些模拟输出保护电路是彼此冲突的替代“或”选择。应用程序通常会采取一些中间立场，并结合使用图2保护的一个子集。

20％/ 80％接口电路应用于模拟输出电路，以防止不必要的电气漏洞。

为何如此，可以通过描述几个应用程序来最好地说明。工业设备的许多考虑因素中的两个是“故障前平均时间”（MTBF）和“平均维修时间”（MTTR）。对于集成电路制造商来说，一个理想的目标是制造一个完全自我测试的芯片。在工厂和现场加电时，该部件会完全进行自我测试，并亮起一点绿灯，表示“我很好”。那是个好主意，但可能不切实际。例如，额外的测试电路占用的空间是电路本身的五倍。可以节省测试成本，但是额外的硅片成本和MTBF可以证明该成本合理吗？这是一个不错的投资回报率吗？答案可能是否定的。电路经常发生五次故障可能不是一个好的折衷方案，但是在另一个应用程序中可能没问题。比较一下没有人能花大钱就无法维修的电路，例如太空探测器和卫星。也许一个电路位于山顶上，那里的积雪一年三个月不能进入。电路可能位于对生命至关重要的设备（例如飞机）中，或者电路可能很容易被技术人员访问。在每种情况下，可以通过MTTR权衡不同级别的冗余改进的MTBF。

为了深入探讨两个工业过程逻辑控制（PLC）应用，让我们讨论一种情况，其中电路板A放在24/7人的控制室中，而另一种情况下，电路板B隔离在太危险的地方对于人类。首先，在两种情况下，我们都决定通过数字隔离来限制系统指令。换句话说，所有输入和输出端口都包含隔离的电源和数字隔离。这样可以防止输出或输入上的破坏性高电压传播并破坏整个系统。在情况A中，可以通过轻松更换电路板来降低MTTR。但是，MTBF可能不支持广泛的保护电路，并且会导致早期故障。在这种情况下，可能需要零或次要保护电路。可能会有很多自愈保护电路，甚至可能有重复或三重的电路。投票选择好的电路变得很重要。投票是指关键或生命保护系统中的冗余。例如，美国航天飞机的设计带有三台导航计算机，用于控制火箭和推进器。但是，如果一台计算机产生不同的结果，则两台性能良好的计算机将投票并忽略有故障的计算机。

现在，让我们回到一些众所周知的电路保护原理，这些原理提供了多个重叠概念，可用于模拟输出保护。如图2所示，ESD，EMI，EMS和RFI设备可以分为三类：

限压设备：气体放电避雷器，金属氧化物压敏电阻，抑制二极管，三端双向可控硅开关元件，双向可控硅开关和开关。

限流和开关设备：保险丝，断路器和热熔断路器

滤波器，上升时间减少器：电阻器，电感器，线圈，铁氧体磁珠和电容器，所有这些都减缓了瞬态的上升时间并随着时间的流逝扩展了脉冲，从而使其他保护设备有时间工作。低通滤波器还充当DAC输出的重构滤波器。每个电容器的工作电压和自谐振点需要与应用的频率和带宽相匹配。这些网络中的每一个都是互惠的。它们保护系统免受外界（EMS）的影响，并保护外界免受设备可能辐射的任何无意信号（EMI）的影响。

考虑到这一点，让我们研究图2。向后工作，从右侧的输出开始，向左的输入开始。绘制图2是为了保护单极系统，该系统的电压从地变到高电压。如果输出驱动器可以处理双极输出，即地上和地下的电压，则可以通过将其上下颠倒并连接两个地以保护地上和地下来重复图2。

F1（保护保险丝）表示保险丝，自复位断路器或温度保险丝。F1的替代产品是PTC1（正温度系数）聚合物或陶瓷设备（不要忘记它们需要电流才能工作），或SW1，它是高压信号线保护器。这是一个可感测高电压的开关，可关闭串联开关，然后打开钳位以减少放大器上的电压。D5是一个限流二极管，看起来像一个JFET，其源极端子和漏极端子绑在一起。R4和R5是衰减高故障电压以保护输出驱动器的电阻器。FB1减少了脉冲上升时间并及时加宽了脉冲，以降低EMI和ESD。

NE1是霓虹灯，可以用气体放电避雷器管或瞬态电压抑制器（TVS）代替或增强，瞬态电压抑制器是将电压钳位到已知值的专用二极管。也可以使用其他限压设备，金属氧化物压敏电阻（MOV），齐纳抑制二极管，三端双向可控硅开关元件和双向可控硅开关元件。

电容器是滤波功能的一部分。C1，C2和C3将高频旁路到RFI接地并集成ESD脉冲，从而减少了它们的上升时间。形成更好的RC低通重建滤波器（带有额外的极点）的电阻器和电容器包括R2和C3，R1和C2。当电感器L1代替R1，L1和C2（2极）或L1，C1和C2（3极）时，它将产生具有附加衰减的低通重构滤波器。R1和R3充当滤波器端接电阻。

二极管D1-D4是ESD保护二极管，可将放大器输入钳位到电源。D3和D4是硅钳位二极管（0.6V至0.7V正向电压）。高速信号二极管用于低电流，而较大的硅钳位二极管是用于较大电流的通用整流器（注意电压和额定功率）。二极管D1和D2是肖特基钳位二极管，其正向电压为0.25V至0.3V，以更紧密地钳位至电源轨。电阻R1，R2，R3和R4限制了上面列出的ESD钳位二极管中的电流。

请注意ESD二极管D1和D3上方的警告。通过二极管的ESD电压将试图提高电源电压。如果负载相对较大，则多余的能量必须流到某个地方，电源稳压器将立即减小其电流贡献。这允许负载消散能量。其他电源可能同时能够提供电流和吸收电流，因此它们可以在将电源电压保持在正确的水平上发挥积极作用。请注意，模拟输出板输出驱动器上的电源，当来自ESD二极管D1和D3的电源电流的电源阻止VCC或电源轨过高时，齐纳二极管将正向偏置。模拟输出板的二极管DB将用于负电源轨。

最后，应用，电路成本，可靠性，电路板更换的简便性和设计理念将决定应用多少保护。我们不是超级人类，我们不能求助于超级英雄。充其量，我们希望提供一个清单，列出各种可能性，以帮助思考过程并帮助确保考虑最可能的条件。有意识地做出包括或不包括电路元件的决定，比以后再感到惊讶要好得多，因为没有事先想到某些事情。

编辑：hfy