設(shè)計(jì)目標(biāo)

目標(biāo)：保護(hù) ±10V 輸出信號免受持續(xù) ±32V 過壓連接的影響，適用于帶反饋檢測引腳的輸出緩沖器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)。

設(shè)計(jì)說明

該電路設(shè)計(jì)描述了用于精密 DAC 輸出的過壓保護(hù)電路。該電路可保護(hù) 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(xù)過壓的影響。在帶有正向正檢測引腳的器件中，DAC 輸出緩沖器包含在器件內(nèi)，可對輸出緩沖器的正向檢測反饋引腳進(jìn)行引腳訪問。過壓保護(hù)電路由以下部分組成：一個(gè)配置為單位增益、用于輸出緩沖器反饋檢測引腳的帶輸入保護(hù)的運(yùn)算放大器，一個(gè)用于保護(hù)輸出的電子保險(xiǎn)絲 (eFuse)，以及一個(gè)可選的瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管。當(dāng) DAC 工作電壓 ±15V 時(shí)，輸出受到 ±32V 或更高保護(hù)，而不會損壞 DAC 和保護(hù)電路。這種類型的保護(hù)電路緩沖器可用于許多工業(yè)工廠自動化和控制應(yīng)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(cuò)誤而導(dǎo)致的過壓事件，該電路會特別實(shí)用。

設(shè)計(jì)說明

1. 該設(shè)計(jì)利用正向檢測引腳作為反饋，保護(hù) DAC 的輸出免受持續(xù)過壓事件的影響。正向檢測引腳是電壓 DAC 輸出緩沖器的反饋引腳。下圖為基本示意圖。
   
   該檢測引腳用作開爾文連接，在存在長布線或電纜的情況下，可提供更高的精度。有許多 DAC 都配置了正向檢測引腳，但本電路以 DAC8760 為例進(jìn)行說明。DAC 輸出設(shè)置為 ±10V 的范圍。
2. 如果 DAC 沒有將正向檢測引腳用作反饋，則可以采用無外部反饋引腳的電壓 DAC 的輸出過壓保護(hù)電路中的電路來保護(hù) DAC 輸出。
3. DAC8760 具有三個(gè)獨(dú)立的電源輸入（AVDD、VDD 和 AVSS）。DAC8760 數(shù)據(jù)表建議為每個(gè)電源引腳配備去耦電容器。在該電路中，100nF 和 100pF 的電容器并聯(lián)，用作 AVDD 和 AVSS 的去耦電容器。DVDD 引腳使用一個(gè) 100nF 電容器，未在電路中顯示。
4. REFOUT 是 DAC8760 內(nèi)部基準(zhǔn)的輸出端。如果使用了內(nèi)部基準(zhǔn)，則在 REFOUT 引腳與接地引腳之間連接一個(gè) 100nF 電容器。REFOUT 同樣未在電路中顯示。
5. 通過將運(yùn)算放大器配置為單位增益緩沖器，對 DAC 輸出電壓的 +VSENSE 反饋進(jìn)行緩沖，從而保護(hù) DAC 免受過壓事件的影響。輸出保護(hù)需要保護(hù)運(yùn)算放大器的輸入免受超出電源電壓的持續(xù)過壓影響，并且在過壓事件發(fā)生時(shí)，保護(hù) DAC 輸出避免拉出或灌入過大電流。
6. 在 VOUT 和 +VSENSE 之間可選用一個(gè) 1kΩ 的電阻器。該電阻器用于防止在反饋檢測信號中斷時(shí)，DAC 的輸出緩沖器反饋環(huán)路斷開。
7. 在此電路中，為用于過壓保護(hù)的運(yùn)算放大器反饋緩沖器選用 OPA206。選擇該運(yùn)算放大器因其具有以下幾個(gè)特性：
   1. 失調(diào)電壓非常低，緩沖器對 DAC 檢測反饋輸出的誤差很小。OPA206 的失調(diào)電壓通常為 ±4μV（25°C 處）和 ±55μV（從 –40°C 到 125°C）。
   2. OPA206 具有集成的輸入過壓保護(hù)功能，可在運(yùn)算放大器電源電壓的基礎(chǔ)上擴(kuò)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。
      
   3. 如果使用沒有集成輸入過壓保護(hù)功能的替代運(yùn)算放大器，則可以使用輸入的串聯(lián)電阻進(jìn)行保護(hù)，以限制輸入電流。有關(guān)運(yùn)算放大器中過壓和電氣過載的更多信息，請參閱有關(guān)電氣過載的 TI 高精度實(shí)驗(yàn)室–運(yùn)算放大器視頻。
8. TPS26611 是一款電流環(huán)路保護(hù)器，充當(dāng)電子保險(xiǎn)絲來限制 DAC8760 在 VOUT 引腳處的電壓輸出電流。TPS26611 具有 32mA (I_OL) 的固定雙極性電流限制。
   1. 在正常運(yùn)行時(shí)，TPS26611 允許 DAC8760 的輸出電流通過。即使 DAC8760 的短路電流限制通常為 30mA，但當(dāng)輸出電壓被強(qiáng)制超過 DAC 的電源電壓時(shí)，仍然無法限制通過 ESD 二極管流向輸出端的電流。
   2. TPS26611 的最大串聯(lián)電阻為 12.5Ω。由于有了額外的 49.9Ω 串聯(lián)電阻，15mA 輸出端電源輸出所需的額外余量為 0.936V。在 ±15V 電源和 ±10V DAC 輸出范圍下，DAC 有足夠的運(yùn)行余量。
   3. EN 和 SGOOD 引腳可保持懸空。
   4. MODE 引腳設(shè)置為接地。在此設(shè)置下，器件行為取決于流經(jīng) TPS26611 的 I_OUT 電流。
      1. 若 I_OUT < I_OL，電流 I_OUT 將通過 TPS26611。
      2. 若 I_OUT > I_OL，IOUT 會通過 TPS26611 快速限制在 I_OL，持續(xù)時(shí)間為 100ms (t_{OL_Expiry})。若電流持續(xù)高于 I_OL，器件會關(guān)閉輸出，并在 800ms (t_Retry1) 后重試輸出。
      3. TPS26611 中的電流保護(hù)是雙向的，對負(fù)電流的限制方式與之類似。
   5. 如果輸出電壓被強(qiáng)制超過正電源或負(fù)電源電壓，TPS26611 會切斷輸出，防止損壞。
   6. 有關(guān)使用 TPS26611 作為模擬輸出模塊保護(hù)的更多信息，請參閱應(yīng)用筆記《使用 TPS2661x 的模擬輸入和輸出模塊中的 HART I/O 保護(hù)》。
9. 電路中可選用瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管，以提供額外的浪涌保護(hù)。如果使用 TVS 二極管，則所選的擊穿電壓必須高于任何可能的持續(xù)過壓值。如果擊穿電壓低于持續(xù)過壓，則過壓可能會損壞 TVS 二極管。在此電路中、預(yù)期的持續(xù)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(hù)。

仿真

過壓保護(hù)反饋緩沖器通過 PSpice? 進(jìn)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(shù)。反饋緩沖器的輸入從 –10V 斜升至 +10V，顯示了 DAC 的整個(gè)輸出范圍。另一個(gè) OPA206 用作 DAC 輸出緩沖器的模型。OPA206 的電流限制為 25mA，這是對 DAC8760 的近似模擬。該電流限制將在后續(xù)仿真中使用。

圖左側(cè)的運(yùn)算放大器和電阻器網(wǎng)絡(luò)代表電壓 DAC 的輸出和反饋。標(biāo)記為 +VSENSE 和 VOUT 的節(jié)點(diǎn)是 DAC8760 的引腳。

從緩沖器輸入到輸出的傳遞函數(shù)源自瞬態(tài)仿真。

第二個(gè)瞬態(tài)仿真顯示了過壓事件期間的電流。

將 DAC 設(shè)置為 0V，并在緩沖器輸出端接入一個(gè)電壓源，以模擬由接線錯(cuò)誤導(dǎo)致的過應(yīng)力事件。電源斜坡模擬從 –32V 到 +32V 的過壓變化過程。

仿真從 –32V 的輸出開始，TPS26611 電子保險(xiǎn)絲處于開路狀態(tài)，從而防止從 DAC8760 的輸出中獲取任何電流。輸出端的殘余電流來自 OPA206 的輸入端，其集成的輸入保護(hù)將電流限制在約 5mA。隨著電壓降低，緩沖器輸出端的電流保持為 5mA。

當(dāng)電壓升至接近 -15V 的較低電源電壓時(shí)，TPS26611 開始從 DAC 輸出端傳導(dǎo)電流。在斜坡電壓的驅(qū)動下，DAC 立即達(dá)到接近 30mA 的器件短路電流限制。此電流限制低于 TPS26611 的 32mA 電流限制水平，因此電流可以正常傳導(dǎo)。DAC8760 在電流限制下持續(xù)工作不會造成損壞。

當(dāng)斜坡電壓升至 0V 以上時(shí)，DAC 的輸出從拉電流變?yōu)楣嚯娏鳌AC 在相反方向被強(qiáng)制進(jìn)入 30mA 的電流限制狀態(tài)。

最后，斜坡電壓上升至高于正電源。由于串聯(lián)電阻和輸出電流產(chǎn)生的附加電壓，當(dāng)斜坡電壓升至 +16V 以上時(shí)，電子保險(xiǎn)絲會檢測到輸出超出電源電壓。檢測到過壓后，TPS26611 電子保險(xiǎn)絲再次斷開，DAC 輸出停止灌入電流。此時(shí)，輸出端僅存的電流來自 OPA206 的輸入過壓保護(hù)。

運(yùn)行了類似的仿真，以顯示反向電壓轉(zhuǎn)換過程。電源斜坡模擬從 +32V 到 -32V 的轉(zhuǎn)換。仿真從 +32V 的輸出開始，TPS26611 電子保險(xiǎn)絲處于開路狀態(tài)，從而防止從 DAC8760 的輸出中獲取任何電流。輸出端的電流來自 OPA206 的輸入端。隨著輸出電壓下降，TPS26611 允許 DAC8760 的短路限制電流通過。

當(dāng)電壓降至 0V 以下時(shí)，DAC 的電流輸出從灌電流變?yōu)槔娏鳌ｋS著電壓繼續(xù)下降，當(dāng)輸出電壓降至 -16V 以下時(shí)，TPS26611 關(guān)閉，電流來自 OPA206 的輸入端。

兩個(gè)仿真中均未包含 TVS3301。仿真輸出未超過 ±33V 的保護(hù)閾值，該閾值會觸發(fā) TVS 導(dǎo)通。在 32V 的仿真電平下，TVS3301 不會影響保護(hù)緩沖器和 DAC 輸出的工作。

測量結(jié)果

過壓保護(hù)緩沖器為測試而構(gòu)建，并連接到 DAC8760EVM 的輸出端。首先，將 DAC 的輸出從 -10V 斜升至 +10V，以驅(qū)動反饋緩沖器的輸入。從緩沖器中測得的偏移在整個(gè)范圍內(nèi)小于 10μV。

將 DAC 設(shè)置為 0V，然后將輸出連接到一個(gè)可變電源。當(dāng)驅(qū)動輸出時(shí)，會記錄輸出端的電流。測量開始時(shí)，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(shè)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(hù)電流略低于仿真值。TPS26611 電子保險(xiǎn)絲的關(guān)閉和打開存在遲滯。這種遲滯在疊加正負(fù)過壓仿真時(shí)可見，源于 TPS26611 輸出端串聯(lián)電阻器上的額外電壓。在正常工作狀態(tài)下，當(dāng) TPS26611 電子保險(xiǎn)絲閉合且傳導(dǎo)電流時(shí)，若輸出上升并超過任一電源約 1.5V 至 2V，電子保險(xiǎn)絲會斷開。測量中，當(dāng)輸出被強(qiáng)制升至 16.5V 以上或降至 -16.8V 以下時(shí)，TPS26611 會關(guān)閉。若輸出超出電源電壓，當(dāng)電壓升至 -15.3V 以上或降至 +15.3V 以下時(shí)，TPS26611 會恢復(fù)工作。這一現(xiàn)象在兩個(gè)過壓仿真中均有體現(xiàn)，二者結(jié)合呈現(xiàn)出相同的遲滯特性。該遲滯源于 TPS26611 輸出端串聯(lián)電阻器上的附加電壓。

寄存器設(shè)置

下表顯示了此包含 DAC8760 的應(yīng)用的示例寄存器映射。此處給出的值適用于在設(shè)計(jì)說明部分作出的設(shè)計(jì)選擇。

偽代碼示例

下面所示為將初始寄存器值設(shè)置到 DAC8760 的偽代碼序列。以下偽代碼將器件設(shè)置為一個(gè)通道以實(shí)現(xiàn) ±10V 輸出。此處給出的值適用于在設(shè)計(jì)說明部分作出的設(shè)計(jì)選擇。

DAC8760 偽代碼示例

1:  //SYNTAX: WRITE <REGISTER NAME (Hex code)>, <MSB DATA>, <LSB DATA>
2:  //Perform a software reset to the device registers
3:  WRITE RESET(0x56), 0x00, 0x01
4:  //Set DAC to ±10V range and enable output
5:  WRITE CONTROL(0x55),0x10, 0x03
6:  //Default output setting is to –10V, set output to 0V
7:  WRITE DAC DATA Register(0x01), 0x80, 0x00

設(shè)計(jì)參考資料

有關(guān) 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)，DACx760EVM 和 DACx750EVM 用戶指南
• 德州儀器 (TI)，無外部反饋引腳的電壓 DAC 輸出過壓保護(hù)電路
• 德州儀器 (TI)，采用 TPS2661x 的模擬輸入和輸出模塊中 HART I/O 保護(hù)應(yīng)用報(bào)告
• 德州儀器 (TI)，高精度實(shí)驗(yàn)室系列：數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)
• 德州儀器 (TI)，高精度實(shí)驗(yàn)室系列：運(yùn)算放大器
• Planet Analog，運(yùn)算放大器輸入保護(hù)可能存在噪聲

如需 TI 工程師的直接支持，請使用 E2E 社區(qū)：

e2e.ti.com