本應(yīng)用筆記介紹了如何保護(hù)模擬輸出電路以及為什么要對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。作為系統(tǒng)性能的必要組成部分之一，應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)模擬輸出電路。它們的單個(gè)輸出極大地影響了系統(tǒng)的整體效率。

簡(jiǎn)介

模擬量輸出驅(qū)動(dòng)工廠和工廠中的電動(dòng)機(jī)和執(zhí)行器。它們是過(guò)程邏輯控制器（PLC）中的最后控制步驟。輸出放大器通常驅(qū)動(dòng)0至10V和4至20mA的電路。他們需要針對(duì)高壓電機(jī)故障，靜電放電（ESD），電磁干擾（EMI），電磁敏感性（EMS）和射頻干擾（RFI）進(jìn)行保護(hù)。建議使用許多電路以滿足應(yīng)用要求。

保護(hù)取決于需要保護(hù)的內(nèi)容及其價(jià)值。這很像金錢。曾經(jīng)有人告訴我，“如果有的話，現(xiàn)金就是零用錢?！苯?jīng)驗(yàn)豐富的工程師知道，小問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致最大的問(wèn)題。很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)就是這種方式。諺語(yǔ)“欠缺釘子”可以追溯到公元1200年代初，甚至本杰明·富蘭克林（Benjamin Franklin）也在1758年發(fā)布了一個(gè)版本。作為工程師，我們了解到我們無(wú)法始終修復(fù)所有問(wèn)題，但有時(shí)人們希望仰望工程師并認(rèn)為我們是超人，這使圖1中的經(jīng)文有點(diǎn)可笑。

這是一本三期漫畫書《美國(guó)正義聯(lián)盟：指甲》中的一句諺語(yǔ)。

漫畫系列描述了一個(gè)不存在超人的世界。釘子刺穿了Ma和Pa Kent的卡車輪胎，拖了下來(lái)，使他們?cè)僖舱也坏匠?jí)超人的太空飛船了。這種微小的變化意味著孩子不會(huì)成長(zhǎng)為超人，世界永遠(yuǎn)處于危險(xiǎn)之中。

有時(shí)，由于我們不是超人，因此模擬輸出電路保護(hù)也有這種感覺。我們?cè)噲D涵蓋絕大多數(shù)情況，但我們擔(dān)心會(huì)導(dǎo)致失敗的一小件事會(huì)在第一時(shí)間使用的第一位客戶就會(huì)注意到。這確實(shí)是墨菲定律的一種變體，所有可能出錯(cuò)的地方都會(huì)出錯(cuò)。

具有備用傳輸方式的模擬輸出（保護(hù)）

隨著工業(yè)革命的成熟，可以使用多種方法來(lái)執(zhí)行相同的功能。在達(dá)芬奇（Leonardo da Vinci）時(shí)代，木質(zhì)齒輪和螺釘，桿，杠桿和擒縱機(jī)構(gòu)使受控運(yùn)動(dòng)成為可能。在蒸汽輪時(shí)代，活塞，活塞桿，杠桿和限速器使工程師能夠執(zhí)行更多任務(wù)。在20世紀(jì)，電動(dòng)機(jī)，執(zhí)行器和接觸器（繼電器）開始受到傳感器和開關(guān)的控制。不久，微處理器就成為控制系統(tǒng)的大腦，從傳感器獲取信息并將模擬輸出轉(zhuǎn)換為動(dòng)作。常見的等效性在控制工廠方面變得很有用。對(duì)于工程師而言，0至10V的電壓等于4至20mA的電流，并且與3至15磅/平方英寸（psi）的氣動(dòng)系統(tǒng)相同。最近，

模擬輸出電路保護(hù)涵蓋了多種情況。了解環(huán)境和應(yīng)用有助于我們確定保護(hù)模擬輸出應(yīng)采取的措施。讓我們從檢查第一個(gè)也是最簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序開始。

有一個(gè)輸出電路，在它的幾英尺內(nèi)有一個(gè)將要控制的低壓致動(dòng)器。它們使用相同的電源供電，并且位于室內(nèi)，在良好的辦公環(huán)境中不受天氣影響。第二種環(huán)境（仍在室內(nèi)）在一個(gè)溫度受控的工廠中有一個(gè)數(shù)百英尺遠(yuǎn)的執(zhí)行器。在極端情況下，輸出驅(qū)動(dòng)器在暴露于雪，夏季高濕和雷暴的空曠地上與執(zhí)行器之間的距離約為一公里（0.7英里）。對(duì)于沒有經(jīng)驗(yàn)的工程師來(lái)說(shuō)，擔(dān)心的是對(duì)于設(shè)備的保護(hù)是否足夠或太少以及是否具有成本效益。

處理上述三種應(yīng)用的一種實(shí)用方法是，首先可以通過(guò)0到10V來(lái)控制附近的室內(nèi)執(zhí)行器。因?yàn)樗拷?，所以?duì)靜電放電（ESD），電磁干擾（EMI），電磁磁化率（EMS）和射頻干擾（RFI）的保護(hù)量可能會(huì)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(huán)路的候選者，因?yàn)樗畲蟪潭鹊亟档土薊MI，RFI和ESD拾取。最困難的地方是有熱，雪和閃電的地方，這很可能會(huì)采用混合方法。如果附近有建筑物，則可以安裝轉(zhuǎn)換器或安裝4至20mA的電流環(huán)路作為通往建筑物的管道。從那里，

設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)原理可以采取兩種截然不同的路徑，具體取決于應(yīng)用程序。如圖2所示，路徑A使模擬輸出板保持原樣，并提供零保護(hù)?；蛟诼窂紹中，如圖所示添加所有模擬保護(hù)電路。一些模擬輸出保護(hù)電路是彼此沖突的替代“或”選擇。應(yīng)用程序通常會(huì)采取一些中間立場(chǎng)，并結(jié)合使用圖2保護(hù)的一個(gè)子集。

20％/ 80％接口電路應(yīng)用于模擬輸出電路，以防止不必要的電氣漏洞。

為何如此，可以通過(guò)描述幾個(gè)應(yīng)用程序來(lái)最好地說(shuō)明。工業(yè)設(shè)備的許多考慮因素中的兩個(gè)是“故障前平均時(shí)間”（MTBF）和“平均維修時(shí)間”（MTTR）。對(duì)于集成電路制造商來(lái)說(shuō)，一個(gè)理想的目標(biāo)是制造一個(gè)完全自我測(cè)試的芯片。在工廠和現(xiàn)場(chǎng)加電時(shí)，該部件會(huì)完全進(jìn)行自我測(cè)試，并亮起一點(diǎn)綠燈，表示“我很好”。那是個(gè)好主意，但可能不切實(shí)際。例如，額外的測(cè)試電路占用的空間是電路本身的五倍?？梢怨?jié)省測(cè)試成本，但是額外的硅片成本和MTBF可以證明該成本合理嗎？這是一個(gè)不錯(cuò)的投資回報(bào)率嗎？答案可能是否定的。電路經(jīng)常發(fā)生五次故障可能不是一個(gè)好的折衷方案，但是在另一個(gè)應(yīng)用程序中可能沒問(wèn)題。比較一下沒有人能花大錢就無(wú)法維修的電路，例如太空探測(cè)器和衛(wèi)星。也許一個(gè)電路位于山頂上，那里的積雪一年三個(gè)月不能進(jìn)入。電路可能位于對(duì)生命至關(guān)重要的設(shè)備（例如飛機(jī)）中，或者電路可能很容易被技術(shù)人員訪問(wèn)。在每種情況下，可以通過(guò)MTTR權(quán)衡不同級(jí)別的冗余改進(jìn)的MTBF。

為了深入探討兩個(gè)工業(yè)過(guò)程邏輯控制（PLC）應(yīng)用，讓我們討論一種情況，其中電路板A放在24/7人的控制室中，而另一種情況下，電路板B隔離在太危險(xiǎn)的地方對(duì)于人類。首先，在兩種情況下，我們都決定通過(guò)數(shù)字隔離來(lái)限制系統(tǒng)指令。換句話說(shuō)，所有輸入和輸出端口都包含隔離的電源和數(shù)字隔離。這樣可以防止輸出或輸入上的破壞性高電壓傳播并破壞整個(gè)系統(tǒng)。在情況A中，可以通過(guò)輕松更換電路板來(lái)降低MTTR。但是，MTBF可能不支持廣泛的保護(hù)電路，并且會(huì)導(dǎo)致早期故障。在這種情況下，可能需要零或次要保護(hù)電路?？赡軙?huì)有很多自愈保護(hù)電路，甚至可能有重復(fù)或三重的電路。投票選擇好的電路變得很重要。投票是指關(guān)鍵或生命保護(hù)系統(tǒng)中的冗余。例如，美國(guó)航天飛機(jī)的設(shè)計(jì)帶有三臺(tái)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，用于控制火箭和推進(jìn)器。但是，如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生不同的結(jié)果，則兩臺(tái)性能良好的計(jì)算機(jī)將投票并忽略有故障的計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)在，讓我們回到一些眾所周知的電路保護(hù)原理，這些原理提供了多個(gè)重疊概念，可用于模擬輸出保護(hù)。如圖2所示，ESD，EMI，EMS和RFI設(shè)備可以分為三類：

限壓設(shè)備：氣體放電避雷器，金屬氧化物壓敏電阻，抑制二極管，三端雙向可控硅開關(guān)元件，雙向可控硅開關(guān)和開關(guān)。

限流和開關(guān)設(shè)備：保險(xiǎn)絲，斷路器和熱熔斷路器

濾波器，上升時(shí)間減少器：電阻器，電感器，線圈，鐵氧體磁珠和電容器，所有這些都減緩了瞬態(tài)的上升時(shí)間并隨著時(shí)間的流逝擴(kuò)展了脈沖，從而使其他保護(hù)設(shè)備有時(shí)間工作。低通濾波器還充當(dāng)DAC輸出的重構(gòu)濾波器。每個(gè)電容器的工作電壓和自諧振點(diǎn)需要與應(yīng)用的頻率和帶寬相匹配。這些網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)都是互惠的。它們保護(hù)系統(tǒng)免受外界（EMS）的影響，并保護(hù)外界免受設(shè)備可能輻射的任何無(wú)意信號(hào)（EMI）的影響。

考慮到這一點(diǎn)，讓我們研究圖2。向后工作，從右側(cè)的輸出開始，向左的輸入開始。繪制圖2是為了保護(hù)單極系統(tǒng)，該系統(tǒng)的電壓從地變到高電壓。如果輸出驅(qū)動(dòng)器可以處理雙極輸出，即地上和地下的電壓，則可以通過(guò)將其上下顛倒并連接兩個(gè)地以保護(hù)地上和地下來(lái)重復(fù)圖2。

F1（保護(hù)保險(xiǎn)絲）表示保險(xiǎn)絲，自復(fù)位斷路器或溫度保險(xiǎn)絲。F1的替代產(chǎn)品是PTC1（正溫度系數(shù)）聚合物或陶瓷設(shè)備（不要忘記它們需要電流才能工作），或SW1，它是高壓信號(hào)線保護(hù)器。這是一個(gè)可感測(cè)高電壓的開關(guān)，可關(guān)閉串聯(lián)開關(guān)，然后打開鉗位以減少放大器上的電壓。D5是一個(gè)限流二極管，看起來(lái)像一個(gè)JFET，其源極端子和漏極端子綁在一起。R4和R5是衰減高故障電壓以保護(hù)輸出驅(qū)動(dòng)器的電阻器。FB1減少了脈沖上升時(shí)間并及時(shí)加寬了脈沖，以降低EMI和ESD。

NE1是霓虹燈，可以用氣體放電避雷器管或瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）代替或增強(qiáng)，瞬態(tài)電壓抑制器是將電壓鉗位到已知值的專用二極管。也可以使用其他限壓設(shè)備，金屬氧化物壓敏電阻（MOV），齊納抑制二極管，三端雙向可控硅開關(guān)元件和雙向可控硅開關(guān)元件。

電容器是濾波功能的一部分。C1，C2和C3將高頻旁路到RFI接地并集成ESD脈沖，從而減少了它們的上升時(shí)間。形成更好的RC低通重建濾波器（帶有額外的極點(diǎn)）的電阻器和電容器包括R2和C3，R1和C2。當(dāng)電感器L1代替R1，L1和C2（2極）或L1，C1和C2（3極）時(shí)，它將產(chǎn)生具有附加衰減的低通重構(gòu)濾波器。R1和R3充當(dāng)濾波器端接電阻。

二極管D1-D4是ESD保護(hù)二極管，可將放大器輸入鉗位到電源。D3和D4是硅鉗位二極管（0.6V至0.7V正向電壓）。高速信號(hào)二極管用于低電流，而較大的硅鉗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是肖特基鉗位二極管，其正向電壓為0.25V至0.3V，以更緊密地鉗位至電源軌。電阻R1，R2，R3和R4限制了上面列出的ESD鉗位二極管中的電流。

請(qǐng)注意ESD二極管D1和D3上方的警告。通過(guò)二極管的ESD電壓將試圖提高電源電壓。如果負(fù)載相對(duì)較大，則多余的能量必須流到某個(gè)地方，電源穩(wěn)壓器將立即減小其電流貢獻(xiàn)。這允許負(fù)載消散能量。其他電源可能同時(shí)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正確的水平上發(fā)揮積極作用。請(qǐng)注意，模擬輸出板輸出驅(qū)動(dòng)器上的電源，當(dāng)來(lái)自ESD二極管D1和D3的電源電流的電源阻止VCC或電源軌過(guò)高時(shí)，齊納二極管將正向偏置。模擬輸出板的二極管DB將用于負(fù)電源軌。

最后，應(yīng)用，電路成本，可靠性，電路板更換的簡(jiǎn)便性和設(shè)計(jì)理念將決定應(yīng)用多少保護(hù)。我們不是超級(jí)人類，我們不能求助于超級(jí)英雄。充其量，我們希望提供一個(gè)清單，列出各種可能性，以幫助思考過(guò)程并幫助確?？紤]最可能的條件。有意識(shí)地做出包括或不包括電路元件的決定，比以后再感到驚訝要好得多，因?yàn)闆]有事先想到某些事情。

編輯：hfy