9.7 Protecting ADC with TVS Diode – Improved Solution

您好！欢迎观看 TI高精度实验室系列的 下一个视频，本视频介绍了 ADC 电气过载方面的内容。 在上一个演示中，我们看到 在串联限流电阻器中使用 TVS 二极管是保护数据转换器输入的 有效方法，但它会对性能产生重大影响。 在本演示中，我们将考虑使用 一些不同方法来改善性能， 同时仍可提供适当保护。 回忆一下上次的演示便可了解， TVS 二极管的电容随施加的 反向电压而变化。 因此，对于右图所示的电路， 电容随电压在 0 伏到 10 伏 之间摆动而变化。 TVS 电容中的输入电阻构成了 一个低通滤波器。 该滤波器的截止频率随输入 信号的瞬时电压 而变化。 举例来说，当输入信号为 5 伏时， 滤波器的截止频率将不同于输入信号 为 10 伏时的截止频率。 因此，衰减取决于 波形的瞬时电压， 这会使输出波形的 形状失真， 并在测量中引入更多的 THD。 请注意，在此示例中， 对于接近 0 的电压，输出信号 会跟踪输入。 但是，当输入接近峰值时， 由于滤波器衰减， 输出不再跟踪输入。 在正常情况下， 仅看输出波形 可能很难实现。 但正如您在幻灯片上所看到的那样， 它不再是一个纯正弦波。 在上一张幻灯片中，我们了解到 Rp 和TVS 二极管D1 的电容形成了 一个低通滤波器。 当输入信号振幅改变时， D1 的电容会瞬时变化。 因此，截止频率 也瞬时变化。 截止频率的这种变化会引入失真， 因为信号的衰减程度会有所不同， 具体取决于输入信号的瞬时振幅。 但是，如果所施加信号的频率 远小于二极管电容 引入的截止频率， 则失真将最小化。 该图显示了失真如何 随输入信号频率的增加而变得更糟。 在此示例中，接近 100 赫兹的 THD 非常接近此器件的额定典型 THD。 此处需要重点指出是，通常可以通过 降低输入信号频率来最大程度地 减小非线性电容引入的失真。 在下一张幻灯片中，我们将研究 TVS 二极管的额定功率如何影响其电容。 在使用 TVS 二极管进行输入保护时， 需要注意的一点是额定功率。 选择额定功率更高的 TVS 二极管 会增加器件的尺寸。 除了消耗更多的功耗外， 更大的器件还将具有更大的电容。 例如，额定峰值脉冲功率为 1.5 千瓦的 TVS 二极管的电容是 400 瓦 器件的 3.75 倍。 由于我们在 TVS 器件前面使用了 一个串联限流电阻，因此它不需要 很高的额定功率。 因此，通常建议使用 额定功率低的 TVS 二极管 进行输入保护，因为较低的电容 对失真的影响较小。 此处的计算式与前面视频中 用于选择串联保护电阻 Rp 的计算式相同。 由于此示例中钳位电压的 击穿不同，因此结果略有不同。 尽管如此，我们在这两个示例中均使用了一个 1 千欧姆的串联电阻。 再次注意，在此幻灯片上， 故障条件下的功耗可能非常高。 可以通过选择较大的Rp 值将其最小化。 让我们看看Rp 的变化 是如何影响性能的。 该图在很宽的Rp 电阻值范围内， 在左侧以蓝色字体显示了 THD 性能， 在右侧以红色字体显示了功耗。 请注意，使用小电阻器可获得最佳性能， 但是在连续故障事件中， 较小电阻器的 功耗会非常高。 这种关系使得很难创建一个 可防止出现大的稳态故障情况的 紧凑型低成本高性能电路。 在下一张幻灯片中，我们将考虑 一种可以用来代替电阻器的器件。 该器件可以使我们无需使用 大型高功率器件即可获得更好的 THD 性能。 PTC 保险丝是一种在正常条件下 具有低电阻，在过流情况下 具有高电阻的器件。 PTC 代表正温度系数。 器件的电阻会随温度的升高而增加。 在故障情况下，电阻器的自发热 将导致电阻器通过跳变点， 电阻将因此 急剧增加。大电阻 将有效地限制电流，类似于断开的 机械保险丝。 故障条件消除后， PTC 将返回低电阻状态。 但是，该器件具有一定的滞后性， 并且需要一些时间才能使其冷却下来， 此外电阻恢复到缓慢的稳态值也需要一定的时间。 这种行为对我们的输入保护电路很有用， 因为在正常的未跳变状态下， 串联电阻会很低，这会使失真 保持相对较低。 电阻将增加或跳变， 以响应故障电流，从而限制功耗 并保护 ADC。 在下一张幻灯片中，我们将比较几个 PTC 保险丝， 然后检查它们对性能的影响。 此幻灯片显示了几种不同 PTC 保险丝的列表。 我们将选择额定电压为 60 伏、 跳变电流最低的器件。 另外，请注意跳变后电阻 和初始电阻相对较低。 在下一张幻灯片中，我们将研究 PTC 保险丝如何影响 THD 性能。 之前，我们介绍了具有 1 千欧姆 限流电阻的SMAJ10CA TVS 二极管。 在 40 伏故障条件下，1 千欧姆电阻器 限制了电流和功耗， 因此需要 1 瓦的外部电阻。 这种解决方案成本高昂，并且在 PCB 上占用很大的面积。 此外，与数据表规格相比， 带有 TVS 二极管和 1 千欧姆电阻的 器件的交流性能 会大大降低。 提醒一下，ADC 的 THD 规格为负 110dB。 在加上 TVS 二极管和 1 千欧姆电阻后， 测得的 THD 为负 69.6dB。 用 PTC 保险丝替换 TVS 二极管 可将测得的 THD提高到负 96.8dB。 因此，PTC 保险丝的低稳态电阻 可以显著提高保护电路的 交流性能，但仍不能满足 负 110dB 的数据表规格。 此外还需注意，PTC 保险丝的解决方案 尺寸比 1 瓦电阻器解决方案小得多。 幻灯片底部的波形显示了 输入故障信号。 且其后产生的故障信号 已由 TVS 二极管声明。 在高精度实验室讲座的此部分内容中， 我们一直在研究 集成模拟前端的数据转换器。 这些器件使用内部齐纳钳位二极管 和 SCR ESD 钳位。 这些数据转换器的输入范围通常为 正/负 10 伏， 但模拟电源电压仅为 5 伏。 通常，这种类型的系统将不支持 高于 5 伏的电压源。 因此，与接地连接且不需要高压 电源的外部 TVS二极管保护 解决方案很有吸引力。 在高压电源可用的情况下， 肖特基钳位二极管是更好的解决方案。 推荐使用肖特基解决方案，因为 肖特基钳位组的电压通常比 TVS 的 击穿电压更精确。 此外，肖特基二极管比 TVS 二极管 具有更低的电容，因此 对失真的影响较小。 在本示例中，我们将 ADS8588S 的 输入电压钳制为正/负 12 伏。 从技术上讲，实际钳位电压 将包括二极管压降，因此在使用 肖特基二极管时，它的电压约为 正/负 12.3 伏。 让我们看一下该解决方案的 器件选择和性能。 此幻灯片演示了如何为上一张 幻灯片中讨论的肖特基保护方法 选择串联限流电阻。 首先，我们将故障电流限制 设置为肖特基二极管的最大正向 连续电流的 10%。 在本示例中，BAT42 的最大 正向电流为 200 毫安， 因此我们将故障电流设置为 20 毫安。 通过左侧的特性曲线， 我们可以看到二极管的正向 压降为 0.4 伏。 明白了这一点后，我们可以通过 从故障电压中减去电源和 二极管压降来计算故障条件下 保护电阻两端的压降。 用保护电阻两端的电压 除以故障电流可得出保护电阻的 最小值。 保护电阻的值也受由此产生的 功耗的限制。 这可通过将保护电阻器 压降的平方除以功耗来计算。 最后，从这些方程式的计算结果中， 选择 Rp 的最大值， 并将其四舍五入到最接近的标准电阻器值。 让我们看一下 电路的测量性能。 这是我们刚刚设计的带有 肖特基二极管保护电路的 ADS8588S 的 测量性能。 看看 FFT，您会发现失真很小。 本设计测得的SNR 和 THD 非常 接近 ADC 的数据表规格。 总体而言，由于肖特基具有 低于 TVS 的反向电容， 因此肖特基电路的性能将优于 TVS 型 保护电路。 幻灯片右下角的图表 显示了故障情况下的电路输出。 此幻灯片显示了相同的肖特基 保护电路，其中1.52 千欧姆的限流电阻器 被 PTC 保险丝代替。 在此示例中，PTC 的较低电阻 有助于减小失真，从而使性能 符合 ADC 的数据表规格。 根据 ADS8588S数据表规格， SNR 通常为 92dB，THD 为负 110dB。 测量结果表明，该保护电路的 SNR 为 92.1dB，THD 为负 111dB。 右下角的时域图 显示了钳位过载信号。 本视频到此结束。 谢谢观看。 请尝试完成测验以检查您对本视频 内容的理解。 问题 1. 使用额定功率更高的 TVS 可能有什么缺点？ 正确答案是 D，电容会更高。 这是考虑使用低功耗 TVS 二极管的 重要原因。 问题 2. 在 TVS 二极管之前使用较大的 串联电阻有什么好处？ 正确答案是 A，可以使用较低 额定功率的电阻器。 在大多数情况下，极低的串联电阻 将提供最佳的 THD 性能。 但遗憾的是，故障条件下的 功耗可能太高。 问题 3. 将 PTC 保险丝与TVS 二极管一起使用 有什么好处？ 正确的答案是 E，A 和 B。记住， 失真是由串联电阻与 TVS 二极管的 非线性电容的相互作用引起的。 因此，具有较小电阻的PTC 保险丝将使失真最小化。 而且，在故障情况下PTC 的电阻会增加， 因此可以使用较低的额定功率 和较小的物理器件。 问题 4. 一个系统有两个可用的电源轨：3.3 伏 和 5 伏。 ADC 具有 10 伏输入范围。 肖特基输入电路可以用来保护器件吗？ 正确答案是 B，不可以。 原因是我们需要10 伏电源来保护 肖特基型输入保护的 10 伏 输入范围。 如果没有可用的电源，那么最好的选择是 使用 TVS 型保护。 问题 5. 假设保护电路引起失真， 应如何减少失真？ 正确答案是 D，降低输入信号 频率。 降低输入信号频率 可使信号进一步远离 TVS 二极管 形成的非线性低通滤波器的截止频率。