Yao Zhao

RTD（電阻溫度檢測器）可以提供出色的穩定性和準確性，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內置兩個匹配良好的電流源、PGA、基準電壓緩沖器和診斷功能，非常適合高可靠性RTD模塊。

在工業環境中，不正確的操作、粗心的連接和裸露的電線通常會導致過壓故障，這會損壞電子設備并造成損壞可能產生的不良后果。過壓保護能力是RTD模塊的關鍵規格。除了瞬態過壓保護之外，在實際生產過程中還必須考慮持久的過壓保護。

本文將重點介紹基于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的整體解決方案。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，這里有三種可選解決方案：

在ADC引腳前面使用串聯電阻有助于輕松保護AD7124。這些引腳包括模擬輸入和激勵輸出引腳，但電阻將限制順從電壓。

電流源的保護可以通過分立元件來實現。該解決方案可以實現更高的過壓保護和更高的電壓順從性。但是，開關和多路復用器仍然暴露在外部。

ADI公司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RTD傳感器開關。這些器件可在有源和未上電模式下提供±55 V故障電壓保護，并可實現具有閂鎖抗擾度的故障檢測。與傳統解決方案相比，其高密度封裝占用的PCB面積要小得多。

基于AD7124的RTD模塊

比率測量廣泛用于RTD模塊，因為它可以消除激勵電流源的誤差和漂移。圖1顯示了基于AD4-7124的8線RTD測量的典型示意圖。

圖1.基于AD4-7124的8線RTD比率測量。

AIN0提供激勵電流，AD7124集成基準電壓緩沖器和PGA、REF在和 A在是高阻抗輸入，因此相同的電流流過RTD傳感器和基準電阻。ADC轉換結果為輸入電壓之比（V即熱處理） 和基準電壓 （V裁判），等于 R 之間的比率即熱處理和 R裁判.如果 R裁判是已知的高精度穩定基準電阻器，R即熱處理可以通過 R 計算裁判值和 ADC 轉換結果。

通過使用4線RTD配置，系統可以實現高精度和可靠性，并且可以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AD3的7124線RTD測量，這是性能和成本之間的折衷。

圖2.基于AD3-7124的8線RTD比率測量。

兩個集成、匹配良好的電流源有助于 3 線 RTD 測量。V裁判和 V即熱處理可以用以下兩個函數來表示：

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

將轉換代碼表示為這兩個函數的組合：

根據此功能，RTD電阻值可以通過轉換結果和基準電阻值計算得出。詳情請參考CN-0383。

對于2線RTD，引線電阻引起的誤差無法消除，但這些類型的RTD傳感器的成本低于其他傳感器，AD7124-8可以配置為2線RTD傳感器，如圖3所示。

圖3.基于AD2-7124的8線RTD比率測量。

在實踐中，許多工業客戶要求RTD模塊的相同端口連接到許多不同類型的RTD傳感器，這有利于平衡RTD傳感器的成本和性能。圖4所示為RTD模塊的通用接口，可支持不同導線的RTD傳感器。

圖4.用于不同電線傳感器的 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，以便為不同接線的RTD傳感器進行配置。圖5顯示了基于AD7124-8及其開關的不同線RTD傳感器的框圖。AD7124-8支持4通道、2線/3線/4線RTD測量。

圖5.基于AD7124-8的不同線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。

通過計算選擇合適的電阻和電容值可以優化噪聲性能。RTD比率式溫度測量的模擬前端設計注意事項一文可提供指導。如果除了優化噪聲性能外，現場還需要過壓保護，則額外的要求將導致許多額外的麻煩。

首先，AD7124的一些模擬引腳直接暴露在外部環境中，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止高過壓的發生。其次，三個開關需要承受高壓。

添加限流電阻器

在AD7124的每個引腳上增加限流電阻可以輕松為AD7124提供過壓保護。

圖6.AD7124-8模擬引腳內部架構

圖6所示為AD7124模擬引腳架構。每個模擬引腳上有兩個箝位二極管，我們可以使用這些二極管直接實現保護，而不會引入任何其他漏電流。

圖 7 顯示了此方法的示意圖 — R1 到 R4 分別位于 AIN1、AIN2、REF+ 和 REF 的前面。此設置用于消除噪音。這些電阻可以同時用于限流，在AIN0和AIN3前面增加限流電阻可以保護AD7124的其余裸露模擬引腳。

圖7.在ADC輸入引腳前面添加限流電阻。

這些電阻和內部箝位二極管可以防止一定程度的正負過壓。當發生正或負過壓故障時，電流將通過電阻和內部箝位二極管流向AVDD或AVSS。根據AD10的絕對規格，電流值必須限制在7124 mA以下。如果 R限制等于3 kΩ，該模塊可防止±30 V持久過壓。

但是，R上會有壓降限制當此模塊在正常模式下工作時。如果激勵電流為500 μA，則R上的壓降限制將是 1.5 V，傳感器和 R 的電阻裁判將是有限的。增加 R限制可以得到更好的保護，但電阻范圍會更小。基于這種保護方法的過壓保護要求，順從電壓將隨著增加而降低。如果功耗為R裁判和 R返回處理好了，故障電壓會直接降在這兩個電阻上。

除AD7124-8模擬引腳外，開關也暴露在高壓下，因此我們應該選擇能夠承受±30 V電壓的器件。在過去的幾年中，光MOS和繼電器已經在這些情況下使用，但高昂的價格和大封裝限制了應用領域。

使用分立晶體管保護電流源

使用限位電阻的最大缺點是SOURCE+上的順從電壓很低。使用分立晶體管和二極管可以實現過壓保護，并增加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進行過壓保護。

這種架構可以使激勵電流在正常情況向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進行保護，因為模擬輸入引腳沒有順從電壓限制。

如果向該RTD傳感器施加較大的正電壓，D1會阻止電流源產生正高壓。如果對該RTD傳感器施加較大的負電壓，則Q1的集電極和基極之間的PN結處于反向偏置狀態，導致R上的高壓降B1和這個PN結，可以防止對AIN0的損壞。

在正常模式下，D2用作反向偏置二極管，使流過該器件的電流非常小。將Q1的發射極拋到基極的電流非常小，因此R上的電壓降B1可能會疏忽。這種方法可以保持比使用限流電阻更高的順從電壓，并保護更高的故障電壓。

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模塊的缺點是顯而易見的——選擇合適的元件并不容易;這些部件使保護電路變得復雜;并且它們占據了很大的PCB面積。

盡管AD7124模擬輸入引腳的漏電流相當小，但這些引腳上的大電阻串聯，例如R1和 R2，會產生明顯的誤差，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，較大的電阻值會增加模擬輸入RC組合的建立時間，RTD模塊應該花費更多時間為電容器充電，例如C1， C2和 C3.很難平衡保護功能和準確性。開關仍然需要防止高過壓。

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 顯示了一個示例。

圖9.帶故障保護的模擬開關和多路復用器。

在圖9中，AD5243前面有三個使用ADG7124F的SPDT開關，在AIN5462和AIN1前面有兩個使用ADG2F的可變電阻。這些元件可以使用ADG5243F和ADG5462F來實現，它們具有用戶定義的故障保護和檢測功能。

這些部分的突出特點是：

源極引腳具有高于次級電源軌（–55 V和+55 V）的電壓保護。

在未上電狀態下，源極引腳具有–55 V至+55 V電壓保護。

數字輸出的過壓檢測指示開關的工作狀態。

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化。

ADG5243F可以采用±5 V至±22 V雙電源或8 V至44 V單電源供電。

具有低漏電流和業界領先的 R 的閂鎖抗擾度上平整度也是這些部件的優點。低泄漏和低導電電阻可以提高該RTD模塊的精度和噪聲性能。

如果對RTD接口施加正電壓或負電壓，漏極引腳上的電壓將被箝位在POSFV + VT或 NEGFV – VT.如果POSFV設置為4.5 V，NEGFV設置為AGND，則線路中用于保護AD7124的電阻串聯更容易選擇。如果在未通電狀態下發生過壓，開關將保持高阻抗狀態，有助于防止損壞器件。

這些部件的檢測功能可用于系統診斷。ADG5243F和ADG5462F源極輸入端的電壓受到持續監控。低電平有效數字輸出引腳FF指示開關的狀態。FF引腳上的電壓指示是否有任何源輸入引腳遇到故障情況。AD7124提供許多強大的診斷功能，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強大的系統。

總結

AD7124中的功能模塊和診斷功能提高了精度和魯棒性。在比較RTD模塊中的三種過壓保護方法后，使用具有過壓保護功能的模擬開關和多路復用器具有許多優點：

使RTD模塊承受更高的故障電壓

低漏電流、低噪聲、短建立時間

取代傳統的繼電器和光電MOS，節省PCB面積和成本

診斷功能增強了系統穩健性

易于使用

審核編輯：郭婷