本應用筆記介紹了如何保護模擬輸出電路以及為什么要對其進行保護。作為系統性能的必要組成部分之一，應仔細設計模擬輸出電路。它們的單個輸出極大地影響了系統的整體效率。

簡介

模擬量輸出驅動工廠和工廠中的電動機和執行器。它們是過程邏輯控制器（PLC）中的最后控制步驟。輸出放大器通常驅動0至10V和4至20mA的電路。他們需要針對高壓電機故障，靜電放電（ESD），電磁干擾（EMI），電磁敏感性（EMS）和射頻干擾（RFI）進行保護。建議使用許多電路以滿足應用要求。

保護取決于需要保護的內容及其價值。這很像金錢。曾經有人告訴我，“如果有的話，現金就是零用錢。”經驗豐富的工程師知道，小問題會導致最大的問題。很長時間以來就是這種方式。諺語“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年發布了一個版本。作為工程師，我們了解到我們無法始終修復所有問題，但有時人們希望仰望工程師并認為我們是超人，這使圖1中的經文有點可笑。

這是一本三期漫畫書《美國正義聯盟：指甲》中的一句諺語。

漫畫系列描述了一個不存在超人的世界。釘子刺穿了Ma和Pa Kent的卡車輪胎，拖了下來，使他們再也找不到超級超人的太空飛船了。這種微小的變化意味著孩子不會成長為超人，世界永遠處于危險之中。

有時，由于我們不是超人，因此模擬輸出電路保護也有這種感覺。我們試圖涵蓋絕大多數情況，但我們擔心會導致失敗的一小件事會在第一時間使用的第一位客戶就會注意到。這確實是墨菲定律的一種變體，所有可能出錯的地方都會出錯。

具有備用傳輸方式的模擬輸出（保護）

隨著工業革命的成熟，可以使用多種方法來執行相同的功能。在達芬奇（Leonardo da Vinci）時代，木質齒輪和螺釘，桿，杠桿和擒縱機構使受控運動成為可能。在蒸汽輪時代，活塞，活塞桿，杠桿和限速器使工程師能夠執行更多任務。在20世紀，電動機，執行器和接觸器（繼電器）開始受到傳感器和開關的控制。不久，微處理器就成為控制系統的大腦，從傳感器獲取信息并將模擬輸出轉換為動作。常見的等效性在控制工廠方面變得很有用。對于工程師而言，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）的氣動系統相同。最近，

模擬輸出電路保護涵蓋了多種情況。了解環境和應用有助于我們確定保護模擬輸出應采取的措施。讓我們從檢查第一個也是最簡單的應用程序開始。

有一個輸出電路，在它的幾英尺內有一個將要控制的低壓致動器。它們使用相同的電源供電，并且位于室內，在良好的辦公環境中不受天氣影響。第二種環境（仍在室內）在一個溫度受控的工廠中有一個數百英尺遠的執行器。在極端情況下，輸出驅動器在暴露于雪，夏季高濕和雷暴的空曠地上與執行器之間的距離約為一公里（0.7英里）。對于沒有經驗的工程師來說，擔心的是對于設備的保護是否足夠或太少以及是否具有成本效益。

處理上述三種應用的一種實用方法是，首先可以通過0到10V來控制附近的室內執行器。因為它靠近，所以對靜電放電（ESD），電磁干擾（EMI），電磁磁化率（EMS）和射頻干擾（RFI）的保護量可能會最小化。在第二種情況下，幾百英尺的距離將是4至20mA電流環路的候選者，因為它最大程度地降低了EMI，RFI和ESD拾取。最困難的地方是有熱，雪和閃電的地方，這很可能會采用混合方法。如果附近有建筑物，則可以安裝轉換器或安裝4至20mA的電流環路作為通往建筑物的管道。從那里，

設計方法

設計原理可以采取兩種截然不同的路徑，具體取決于應用程序。如圖2所示，路徑A使模擬輸出板保持原樣，并提供零保護。或在路徑B中，如圖所示添加所有模擬保護電路。一些模擬輸出保護電路是彼此沖突的替代“或”選擇。應用程序通常會采取一些中間立場，并結合使用圖2保護的一個子集。

20％/ 80％接口電路應用于模擬輸出電路，以防止不必要的電氣漏洞。

為何如此，可以通過描述幾個應用程序來最好地說明。工業設備的許多考慮因素中的兩個是“故障前平均時間”（MTBF）和“平均維修時間”（MTTR）。對于集成電路制造商來說，一個理想的目標是制造一個完全自我測試的芯片。在工廠和現場加電時，該部件會完全進行自我測試，并亮起一點綠燈，表示“我很好”。那是個好主意，但可能不切實際。例如，額外的測試電路占用的空間是電路本身的五倍。可以節省測試成本，但是額外的硅片成本和MTBF可以證明該成本合理嗎？這是一個不錯的投資回報率嗎？答案可能是否定的。電路經常發生五次故障可能不是一個好的折衷方案，但是在另一個應用程序中可能沒問題。比較一下沒有人能花大錢就無法維修的電路，例如太空探測器和衛星。也許一個電路位于山頂上，那里的積雪一年三個月不能進入。電路可能位于對生命至關重要的設備（例如飛機）中，或者電路可能很容易被技術人員訪問。在每種情況下，可以通過MTTR權衡不同級別的冗余改進的MTBF。

為了深入探討兩個工業過程邏輯控制（PLC）應用，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隔離在太危險的地方對于人類。首先，在兩種情況下，我們都決定通過數字隔離來限制系統指令。換句話說，所有輸入和輸出端口都包含隔離的電源和數字隔離。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系統。在情況A中，可以通過輕松更換電路板來降低MTTR。但是，MTBF可能不支持廣泛的保護電路，并且會導致早期故障。在這種情況下，可能需要零或次要保護電路。可能會有很多自愈保護電路，甚至可能有重復或三重的電路。投票選擇好的電路變得很重要。投票是指關鍵或生命保護系統中的冗余。例如，美國航天飛機的設計帶有三臺導航計算機，用于控制火箭和推進器。但是，如果一臺計算機產生不同的結果，則兩臺性能良好的計算機將投票并忽略有故障的計算機。

現在，讓我們回到一些眾所周知的電路保護原理，這些原理提供了多個重疊概念，可用于模擬輸出保護。如圖2所示，ESD，EMI，EMS和RFI設備可以分為三類：

限壓設備：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元件，雙向可控硅開關和開關。

限流和開關設備：保險絲，斷路器和熱熔斷路器

濾波器，上升時間減少器：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的上升時間并隨著時間的流逝擴展了脈沖，從而使其他保護設備有時間工作。低通濾波器還充當DAC輸出的重構濾波器。每個電容器的工作電壓和自諧振點需要與應用的頻率和帶寬相匹配。這些網絡中的每一個都是互惠的。它們保護系統免受外界（EMS）的影響，并保護外界免受設備可能輻射的任何無意信號（EMI）的影響。

考慮到這一點，讓我們研究圖2。向后工作，從右側的輸出開始，向左的輸入開始。繪制圖2是為了保護單極系統，該系統的電壓從地變到高電壓。如果輸出驅動器可以處理雙極輸出，即地上和地下的電壓，則可以通過將其上下顛倒并連接兩個地以保護地上和地下來重復圖2。

F1（保護保險絲）表示保險絲，自復位斷路器或溫度保險絲。F1的替代產品是PTC1（正溫度系數）聚合物或陶瓷設備（不要忘記它們需要電流才能工作），或SW1，它是高壓信號線保護器。這是一個可感測高電壓的開關，可關閉串聯開關，然后打開鉗位以減少放大器上的電壓。D5是一個限流二極管，看起來像一個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輸出驅動器的電阻器。FB1減少了脈沖上升時間并及時加寬了脈沖，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電壓抑制器（TVS）代替或增強，瞬態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元件和雙向可控硅開關元件。

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間。形成更好的RC低通重建濾波器（帶有額外的極點）的電阻器和電容器包括R2和C3，R1和C2。當電感器L1代替R1，L1和C2（2極）或L1，C1和C2（3極）時，它將產生具有附加衰減的低通重構濾波器。R1和R3充當濾波器端接電阻。

二極管D1-D4是ESD保護二極管，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。

請注意ESD二極管D1和D3上方的警告。通過二極管的ESD電壓將試圖提高電源電壓。如果負載相對較大，則多余的能量必須流到某個地方，電源穩壓器將立即減小其電流貢獻。這允許負載消散能量。其他電源可能同時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揮積極作用。請注意，模擬輸出板輸出驅動器上的電源，當來自ESD二極管D1和D3的電源電流的電源阻止VCC或電源軌過高時，齊納二極管將正向偏置。模擬輸出板的二極管DB將用于負電源軌。

最后，應用，電路成本，可靠性，電路板更換的簡便性和設計理念將決定應用多少保護。我們不是超級人類，我們不能求助于超級英雄。充其量，我們希望提供一個清單，列出各種可能性，以幫助思考過程并幫助確保考慮最可能的條件。有意識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，因為沒有事先想到某些事情。

編輯：hfy