是否可以設計一個具有過壓保護功能的完整 RTD 模塊？RTD（電阻溫度檢測器）可以提供出色的穩(wěn)定性和準確性，并減少噪聲和干擾的影響。RTD 傳感器可以由 2 線、3 線或 4 線版本組成，并且需要激勵電流來產生輸出電壓。
　　AD7124-4/AD7124-8 包含兩個匹配良好的電流源、一個 PGA、參考緩沖器和診斷功能，非常適合高可靠性 RTD 模塊。
　　在工業(yè)環(huán)境中，操作不當、連接不當和電線裸露通常會導致過壓故障，從而損壞電子設備并導致由此造成的不良后果。過壓保護能力是 RTD 模塊的關鍵規(guī)格。除了瞬時過壓保護外，實際生產中還必須考慮持久的過壓保護。
　　本文將重點介紹如何為基于 AD7124 的具有過壓保護功能的多線 RTD 模塊以及過壓保護和檢測多路復用器和通道保護器提供整體解決方案。本文可以幫助設計人員了解此方法并選擇合適的器件。
　　對于過壓保護功能，有以下三種可選解決方案：
　　在 ADC 引腳前使用串聯電阻可以輕松保護 AD7124。這些引腳包括模擬輸入和激勵輸出引腳，但電阻會限制順從電壓。
　　電流源的保護可以用分立元件來實現。這種解決方案可以實現更高的過壓保護和更大的電壓順從性。然而，開關和多路復用器仍然暴露在外部。
　　ADI 的過壓保護和檢測開關、多路復用器和通道保護器（ADG52xxF 和 ADG54xxF）可用于 RTD 模塊保護和不同線路 RTD 傳感器切換。這些部件可在通電和斷電模式下提供 ±55 V 故障電壓保護，并可實現具有閂鎖免疫力的故障檢測。它們的高密度封裝占用的 PCB 面積比傳統解決方案小得多。
　　基于AD7124的RTD模塊　　比率測量在RTD模塊中應用廣泛，因為它可以消除激勵電流源的誤差和漂移。圖1是基于AD7124-8的4線RTD測量典型圖。

　　圖 1：基于 AD7124-8 的 4 線 RTD 比率測量

　　圖 2：基于 AD7124-8 的 3 線 RTD 比率測量

　　AIN0提供激勵電流，AD7124集成基準緩沖器和PGA，REFIN和AIN為高阻抗輸入，因此相同的電流流過RTD傳感器和基準
　　AIN0 提供激勵電流，AD7124 集成基準緩沖器和 PGA，REFIN 和 AIN 為高阻抗輸入，因此流過 RTD 傳感器和基準電阻的電流相同。ADC 轉換結果是輸入電壓 (VRTD) 與基準電壓 (VREF) 的比值，等于 RRTD 與 RREF 的比值。如果 RREF 是已知的、高精度且穩(wěn)定的基準電阻，則可以通過 RREF 值和 ADC 轉換結果計算出 RRTD。
　　通過使用 4 線 RTD 配置，系統可實現高精度和高可靠性，并可消除引線電阻引起的誤差。因此，成本高于 3 線或 2 線配置。圖 2 顯示了基于 AD7124 的 3 線 RTD 測量，這是性能和成本之間的折衷。
　　兩個集成且匹配良好的電流源有助于 3 線 RTD 測量。VREF 和 VRTD 可以用以下兩個函數表示：

　　AD7124 具有兩個匹配良好的電流源，這意味著 IEXC0 接近或等于 IEXC1，并且引線電阻 RL1 和 RL2 非常相似。函數可以表示為：

　　將轉換代碼表達為這兩個函數的組合：

　　　根據該函數可以通過轉換結果和參考電阻值計算出RTD電阻值.

　　圖 3：基于 AD7124-8 的 2 線 RTD 比率測量
　　對于2線RTD，由于引線電阻引起的誤差無法消除，但這種類型的RTD傳感器的成本低于其他傳感器，并且AD7124-8可以配置為2線RTD傳感器，如圖3所示?！　嶋H應用中，很多工業(yè)客戶要求RTD模塊的同一個接口可以連接多種不同類型的RTD傳感器，以方便平衡RTD傳感器的成本和性能。圖4給出了RTD模塊的通用接口，可以支持不同線制的RTD傳感器。

　
　　圖 4：不同線傳感器的 RTD 接口　　由于這一要求，這種類型的 RTD 模塊需要通過固件輕松配置，以適應不同線制的 RTD 傳感器。圖 5 顯示了基于一個 AD7124-8 及其開關的不同線制 RTD 傳感器的框圖。AD7124-8 可支持 4 通道、2 線/3 線/4 線 RTD 測量。

　　圖 5：基于 AD7124-8 的不同線制 RTD 傳感器測量
　　使用控制器可以輕松更改不同傳感器的配置，表 1 顯示了不同配置的開關和電流源狀態(tài)。
　　通過計算選擇合適的電阻和電容值可以優(yōu)化噪聲性能。文章“RTD 比率溫度測量的模擬前端設計考慮因素”可以提供指導。
　　如果除了優(yōu)化噪聲性能之外，現場還需要過壓保護，那么額外的要求會帶來很多額外的麻煩。
　　首先，AD7124的一些模擬引腳直接暴露在外部環(huán)境中，而根據AD7124在25°C下的絕對最大額定值，AVSS的模擬輸入電壓應在-0.3 V至AVDD +0.3 V之間，這意味著該模塊無法防御高過壓的發(fā)生。其次，三個開關需要承受高電壓。
　　添加限流電阻　　在AD7124的每個引腳上添加限流電阻可以輕松為AD7124提供過壓保護。

　　圖6顯示了AD7124模擬引腳架構。每個模擬引腳上都有兩個鉗位二極管，我們可以直接使用這些二極管來實現保護，而不會引入任何其他漏電流。

　　圖6：AD7124-8模擬引腳內部架構　　圖 7 顯示了該方法的示意圖 - R1 至 R4 分別位于 AIN1、AIN2、REF+ 和 REF– 前面。此設置用于消除噪聲。這些電阻可同時用于限流，在 AIN0 和 AIN3 前面添加限流電阻可以保護 AD7124 其余裸露的模擬引腳。

　
　　圖 7：在 ADC 輸入引腳前添加限流電阻
　　這些電阻和內部鉗位二極管可以防止一定程度的正向和負向過壓。當發(fā)生正向或負向過壓故障時，電流將流過
　　這些電阻和內部鉗位二極管可以防止一定程度的正負過壓。當發(fā)生正或負過壓故障時，電流將流過電阻和內部鉗位二極管到 AVDD 或 AVSS。根據 AD7124 的絕對規(guī)格，電流值必須限制在 10 mA 以下。如果 RLimit 等于 3 kΩ，該模塊可以防止 ±30 V 的持久過壓。
　　但是該模塊在正常工作時，RLIMIT上會有壓降，如果激勵電流為500μA，RLIMIT上的壓降為1.5V，傳感器和RREF的阻值會受到限制，增加RLIMIT可以得到更好的保護，但阻值范圍會變小。這種保護方式，隨著過壓保護要求的提高，順從電壓會降低。如果考慮到RREF和RReturn的功耗，故障電壓會直接落在這兩個電阻上。
　　除了AD7124-8模擬引腳外，開關管也暴露在高壓下，因此應選擇能防護±30V電壓的器件。過去幾年，光MOS和繼電器被用于這些場合，但價格高、封裝大，限制了應用范圍。
　　使用分立晶體管保護電流源　　使用限流電阻的最大缺點是SOURCE+上的順從電壓較低。使用分立晶體管和二極管可以實現過壓保護并提高SOURCE+引腳上的最大允許電壓。圖8顯示了此方法的示意圖。

　　圖 8：使用分立晶體管和二極管實現過壓保護
　　這種架構可以保證激勵電流在正常情況下流向 RTD 傳感器，并防止高過壓損壞。其他模擬輸入引腳可以通過限流電阻保護，因為模擬輸入引腳沒有順從電壓限制。
　　如果將較大的正電壓施加到該 RTD 傳感器上，D1 會阻止電流源受到正高電壓的影響。如果將較大的負電壓施加到該 RTD 傳感器上，Q1 集電極和基極之間的 PN 結會處于反向偏置，導致 RB1 和該 PN 結上出現高壓降，從而防止 AIN0 受損。
　　在正常模式下，D2 充當反向偏置二極管，使流過該部分的電流非常小。從 Q1 的發(fā)射極到基極的電流非常小，因此 RB1 上的壓降可以忽略不計。這種方法可以保持順從電壓高于使用限流電阻，并防御更高的故障電壓。
　　使用具有過壓保護功能的模擬開關和多路復用器　　使用分立元件來保護這種高精度 RTD 模塊的弱點是顯而易見的——選擇合適的元件并不容易；這些部件使保護電路變得復雜，并且占用了很大的 PCB 面積。

　　圖 9：具有故障保護功能的模擬開關和多路復用器
　　盡管AD7124模擬輸入引腳的漏電流很小，但這些引腳上的大電阻串聯（如R1和R2）會產生明顯的誤差，并且這些電阻的熱噪聲會降低分辨率。在實際設計中，RTD模塊可能有多個通道，電流源會從一個通道切換到另一個通道，大電阻值會增加模擬輸入RC組合的建立時間，并且RTD模塊需要花費更多時間對電容（如C1、C2和C3）進行充電。很難平衡保護功能和準確性。而且開關還需要防止高過壓。
　　在這種情況下，使用具有故障保護功能的模擬開關和多路復用器可以提供開關和過壓保護。圖 9 顯示了一個例子。在圖 9 中，AD7124 前面有三個使用 ADG5243F 的 SPDT 開關，AIN1 和 AIN2 前面有兩個使用 ADG5462F 的可變電阻。這些組件可以通過使用具有用戶定義的故障保護和檢測功能的 ADG5243F 和 ADG5462F 來實現。
　　這些部件的突出特點是：
　　源極引腳受到保護，可防止高于次級供電軌的電壓（-55 V 至 +55 V）。
　　在未通電狀態(tài)下，源極引腳可免受 -55 V 至 +55 V 之間電壓的影響。
　　通過數字輸出的過壓檢測指示開關的運行狀態(tài)。
　　溝槽隔離可防止閂鎖。
　　針對低電荷注入和導通電容進行了優(yōu)化。
　　ADG5243F 可采用±5 V 至±22 V 雙電源或 8 V 至 44 V 單電源供電。
　　低漏電流、抗閂鎖性以及業(yè)界領先的 RON 平坦度也是這些器件的優(yōu)勢。低漏電流和低導電電阻可以提高該 RTD 模塊的精度和噪聲性能。
　　如果將正電壓或負電壓施加到 RTD 接口，漏極引腳上的電壓將被鉗位在 POSFV + VT 或 NEGFV – VT。如果 POSFV 設置為 4.5 V，NEGFV 設置為 AGND，則用于保護 AD7124 的路由中的電阻串聯選擇起來就容易得多。如果在無電狀態(tài)下發(fā)生過壓，開關將保持高阻抗狀態(tài)，有助于防止損壞部件。
　　這些部件的檢測功能可用于系統診斷。ADG5243F 和 ADG5462F 的源輸入端電壓受到持續(xù)監(jiān)控。低電平有效數字輸出引腳 FF 指示開關的狀態(tài)。FF 引腳上的電壓指示任何源輸入引腳是否處于故障狀態(tài)。AD7124 提供許多強大的診斷功能，以確保系統安全。
　　處理器可以結合這些部件的診斷功能來構建更為強大的系統。