ZHCAFG0 June 2025 DAC81408 , DAC81416 , TPS2661
設計目標
| 主要輸入參數 | 主要輸出信號 | 建議的器件 |
|---|---|---|
SPI 或 I2C 通信 來控制 DAC 電壓輸出 | ±10V 輸出 DAC 信號 具有過壓保護功能 | DAC81408、OPA206、TPS26611 TVS3301（可選） |
目標：保護 ±10V 信號免受持續 ±32V 連接的影響，適用于不具有正檢測引腳的數模轉換器 (DAC)。
設計說明
該電路設計描述了用于精密 DAC 輸出的過壓保護電路。該電路可保護 DAC 輸出免受高于最大電源電壓和低于最小電源電壓的持續過壓的影響。在沒有正 SENSE 引腳的器件中，DAC 輸出緩沖器包含在器件內，無法對輸出緩沖器的正 SENSE 反饋引腳進行引腳訪問。過壓保護電路包含一個采用單位增益設置的運算放大器，一個用于保護輸出的電子保險絲以及一個可選的瞬變電壓抑制 (TVS) 二極管。當 DAC 工作電壓 ±15V 時，輸出受到 ±32V 或更高保護，而不會損壞 DAC 和保護電路。這種類型的保護電路緩沖器可用于許多工業工廠自動化和控制應用。如果輸出端在可編程邏輯控制器 (PLC) 等輸出端子上遇到因接線錯誤而導致的過壓事件，該電路特別實用。
設計說明
- 這種設計在沒有正 SENSE 引腳的情況下保護 DAC 的輸出作為反饋。許多 DAC 配置了無 SENSE 引腳的情況、但該電路以 DAC81408 為例。DAC 輸出設置為 ±10V 的范圍。
- DAC81408 具有五個獨立的電源輸入（VIO、VDD、VAA、VCC 和 VSS）。DACx1408 具有內部基準的 8 通道、16/14/12 位高電壓輸出 DAC 數據表建議為每個電源引腳使用 0.1μF 去耦電容器。請注意，VCC 和 VSS（設置為 ±15V）各有兩個引腳。此外，建議每個電源使用 4.7μF 或 10μF 大容量電容器。可以為大容量電容器選擇鉭或鋁電容器類型。
- 如果使用了內部基準，則在 REF 引腳與接地引腳之間連接一個 150nF 電容器。從 REFCMP 引腳到 REFGND 引腳之間連接一個 330pF 電容器，作為附加的基準補償電容器。
- 使用配置為單位增益緩沖器的運算放大器來保護 DAC 免受過壓事件的影響。輸出過壓保護需要保護運算放大器輸入免受超出電源電壓的過壓影響，并在這些事件期間保護輸出免受拉出或灌入過大電流的影響。
- 在此電路中，為用于過壓保護的運算放大器緩沖器選擇了 OPA206。選擇該運算放大器因其具有以下幾個特性：
- 失調電壓非常低，緩沖器對 DAC 輸出的誤差很小。OPA206 的失調電壓通常為 ±4μV（25°C 處）和 ±55μV（從 –40°C 到 125°C）。
- OPA206 具有集成的輸入過壓保護功能，可在運算放大器電源電壓的基礎上擴展至 ±40V。下圖顯示了相對于 OPA206 的輸入共模電壓的輸入偏置電流。
- OPA206 具有 25mA 的短路電流限值。但是，流經運算放大器內部 ESD 二極管的電流會過大。運算放大器輸出端使用了電子保險絲，該保險絲位于輸出反饋內部以限制電流。這種保護還會限制超過電源電壓的輸出電流。
- 如果使用沒有集成輸入過壓保護功能的替代運算放大器，則可以使用輸入的串聯電阻進行保護，以限制輸入電流。有關運算放大器中過壓和電氣過載的更多信息，請參閱有關電氣過載的 TI 高精度實驗室–運算放大器視頻。
- TPS26611 是一款電流環路保護器，充當電子保險絲來限制運算放大器的輸出電流。
- 即使運算放大器的短路電流限制通常為 25mA，也不會限制通過 ESD 二極管流到輸出端的電流，因為輸出電壓會強制超過運算放大器電源電壓。
- TPS26611 的最大串聯電阻為 12.5Ω。由于有了額外的 49.9Ω 串聯電阻，15mA 輸出端電源輸出所需的額外余量為 0.936V。
- EN 和 SGOOD 引腳可保持懸空。
- 有關使用 TPS26611 作為模擬輸出模塊的保護的更多信息，請參閱使用 TPS2661x 的模擬輸入和輸出模塊中的 HART I/O 保護數據表。
- 在電路中應用了一個可選的瞬態電壓抑制二極管 (TVS)，以提供額外的浪涌保護。如果使用 TVS 二極管，則所選的擊穿電壓必須高于任何持續過壓。如果擊穿電壓低于持續過壓，則過壓可能會損壞 TVS 二極管。在此電路中、預期的持續過壓為 ±32V、并使用具有雙向 33V 擊穿電壓的可選 TVS3301 器件提供浪涌保護。
仿真
過壓保護緩沖器通過 PSpice? 進行仿真。首先、使用脈沖電壓源作為 DAC 來模擬緩沖器的傳遞函數。緩沖器的輸入從 –10V 斜升至 +10V，顯示了 DAC 的整個輸出范圍。緩沖器原理圖是為了進行仿真而構建的。
從緩沖器輸入到輸出的傳遞函數源自瞬態仿真。
第二個瞬態仿真顯示了過壓事件期間的電流。
輸入被設定為 0V，而一個電壓電源被放置在緩沖器的輸出上。電源斜坡模擬從 –32V 到 +32V 的轉換。
仿真從 –32V 的輸出開始，TPS26611 電子保險絲處于開路狀態，從而防止從 OPA206 的輸出中獲取任何電流。剩余電流來自具有集成輸入保護的 OPA206 的輸入，該輸入可將電流限制為約 5mA。隨著電壓降低，緩沖器輸出端的電流保持為 5mA。
當電壓增加到接近 -15V 的較低電源電壓時，TPS26611 開始從 OPA206 輸出端傳導電流。由斜坡電壓驅動的 OPA206 會立即達到 30mA 的器件電流限制。此電流限制低于 TPS26611 的 32mA 電流保護水平，并且允許傳導電流。OPA206 持續電流限制沒有破壞性。
斜升電壓上升并超過 0V，OPA206 的輸出從拉電流變為灌電流。OPA206 在相反方向上被強制進入 30mA 電流限制狀態。
最后，斜升的電壓上升到高于 +15V 的正電源。TPS26611 電子保險絲再次打開，OPA206 輸出停止灌入電流。在這里，唯一的輸出電流來自 OPA206 輸入保護。
未對 TVS3301 進行仿真。但是，發送的輸出未超過保護閾值 33V，即會開啟 TVS 導通。在 32V 的仿真電平下，TVS3301 不會影響保護緩沖器和 DAC 輸出的運行。
測量結果
過壓保護緩沖器為測試而構建，并連接到 DAC81416-08EVM 的輸出端。首先，DAC 的輸出從 –10V 斜升至 10V，以驅動緩沖器輸入。從緩沖器中測得的偏移在整個范圍內小于 10μV。
然后，輸出會連接到可變電源。當驅動輸出時，會記錄輸出端的電流。測量開始時，電源電壓為 –32V，可變電源電壓升至 +32V。然后，輸出從 +32V 改回 –32V。此設置與前面所述仿真中的原理圖類似。
在測試中，OPA206 短路電流和輸入保護電流略低于仿真值。TPS26611 電子保險絲的關閉和打開存在遲滯。在 TPS26611 電子保險絲關閉并且在正常運行情況下傳導電流的情況下啟動時，電子保險絲會在輸出上升時打開，并被驅動到超過任一電源的大約 2.5V。在這里，當輸出被強制升至高于 17.2V 或低于 –17.5V 時，TPS26611 會關閉。這在仿真中可以看到一部分，在仿真中以從低電壓到高電壓的單次斜升運行。
寄存器設置
下表顯示了此包含 DAC81408 的應用的示例寄存器映射。此處給出的值適用于在設計說明部分作出的設計選擇。
| 寄存器地址 | 寄存器名稱 | 設置 | 說明 |
|---|---|---|---|
| 0x03 | SPICONFIG | 0x0A84 | [15:12] 0b0000：保留 |
| [11] 0b1：熱警報會觸發 ALMOUT 引腳 | |||
| [10] 0b0：在 DAC 更新之間不設置 ALMOUT | |||
| [9] 0b1：CRC 錯誤會觸發 ALMOUT 引腳 | |||
| [8:7] 0b01：保留 | |||
| [6] 0b0：已禁用軟切換操作 | |||
| [5] 0b0：器件處于 ACTIVE 模式 | |||
| [4] 0b0：已禁用 CRC | |||
| [3] 0b0：已禁用流模式 | |||
| [2] 0b1：SDO 引腳正常工作 | |||
| [1] 0b0：在 SCLK 上升沿進行 SDO 更新 | |||
| [0] 0b0：保留 | |||
| 0x04 | GENCONFIG | 0x3F00 | [15] 0b0：保留 |
| [14] 0b0：啟用內部基準 | |||
| [13:6] 0b11111100：保留 | |||
| [5:2] 0b0000：已禁用所有通道的差分模式 | |||
| [1:0] 0b00：保留 | |||
| 0x09 | DACPWDWN | 0xF00F | [15:12] 0b1111：保留 |
| [11:4] 0b00000000：已啟用所有通道，不處于斷電模式 | |||
| [3:0] 0b1111：保留 | |||
|
0x0B、0x0C |
DACRANGE0 （通道 7:4） DACRANGE1 （通道 3:0） |
0xAAAA | [15:12] 0b1010：將 DAC 輸出范圍設置為 ±10V |
| [11:8] 0b1010：將 DAC 輸出范圍設置為 ±10V | |||
| [7:4] 0b1010：將 DAC 輸出范圍設置為 ±10V | |||
| [3:0] 0b1010：將 DAC 輸出范圍設置為 ±10V | |||
|
0x14-0x1B |
DAC0–DAC7 （通道 0:7） |
0x8000 |
[15:0] 為輸出電壓 0V 設置 DAC 數據代碼 |
偽代碼示例
下面所示為將初始寄存器值設置到 DAC81408 的偽代碼序列。以下偽代碼將器件設置為一個通道以實現 ±10V 輸出。此處給出的值適用于在設計說明部分作出的設計選擇。
DAC81408 偽代碼示例
1: //SYNTAX: WRITE <REGISTER NAME (Hex code)>, <MSB DATA>, <LSB DATA>
2: //Set the device in active mode
3: WRITE SPICONFIG(0x3), 0x0A, 0x84
4: //Enable the internal reference
5: WRITE GENCONFIG(0x04),0x3F, 0x00
6: //Enable all DAC channels, not in power-down mode
7: WRITE DACPWDWN(0x09), 0xF0, 0x0F
8: //Set Channels 7 to 4 to ±10V output range
9: WRITE DACRANGE0(0x0B), 0xAA, 0xAA
10: //Set Channels 3 to 0 to ±10V output range
11: WRITE DACRANGE1(0x0C), 0xAA, 0xAA
12: //Set DAC0 to output 0V
13: //Data is configured in straight binary, not two's complement notation
14: WRITE DAC0(0x14), 0x80, 0x00
15: //Channels 1 through 7 configured through registers 0x15 - 0x1B設計中采用的器件
使用參數搜索工具查找其他可能的器件。
設計參考資料
有關 TI 綜合電路庫的信息，請參閱模擬工程師電路說明書。
其他資源
- 德州儀器 (TI)，DAC81416-08 評估模塊用戶指南
- 德州儀器 (TI)，采用 TPS2661x 的模擬輸入和輸出模塊中 HART I/O 保護應用報告
- 德州儀器 (TI)，高精度實驗室系列：數模轉換器 (DAC)
- 德州儀器 (TI)，高精度實驗室系列：運算放大器
- Planet Analog，運算放大器輸入保護可能存在噪聲
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