模擬芯視界 | 專(zhuān)為在模擬輸入模塊中實(shí)現高共模電壓而設計

引言

在惡劣的工廠(chǎng)和工藝環(huán)境中， 可編程邏輯控制器 (PLC) 模擬輸入模塊的可靠性要求需要支持高達數百伏的 高共模電壓 。該共模電壓來(lái)自不同的來(lái)源，它是由耦合或線(xiàn)路問(wèn)題導致的。 在存在高共模電壓的情況下保持模擬轉換所需的精度對模塊設計人員而言是一個(gè)挑戰 。

本文探討了 高共模電壓信號 的來(lái)源和典型工業(yè)要求。此外，還介紹了 信號隔離 和 信號調節 實(shí)施。您可以使用高電壓開(kāi)關(guān)或高電壓多路復用器對整個(gè)通道或僅接口應用信號隔離?？赏ㄟ^(guò)分立方式或通過(guò)集成式差分放大器實(shí)現調節。 本文對不同的實(shí)現方式及其對輸入阻抗、噪聲、帶寬和共模抑制等其他信號鏈參數的影響進(jìn)行了比較 。

共模電壓源及其對可靠性的影響

采用具有隔離接地的 PLC 模擬輸入模塊 和 數據采集卡 是很常見(jiàn)的現象， 這可以提高模塊的可靠性并使輸入級能夠跟蹤源接地 。當通過(guò)差分信號將接地點(diǎn)不同的兩個(gè)源連接至輸入（如圖 1 所示）時(shí)，其中一個(gè)輸入通道將經(jīng)受共模電壓信號。這是高度簡(jiǎn)化的說(shuō)明；實(shí)際上，可能存在與機箱接地、大地接地或保護接地和屏蔽電纜的連接，以及電纜屏蔽層的連接（為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖中省略了這一點(diǎn)）。

圖 1：共模信號絕對輸入范圍（全輸入范圍）：差分輸入范圍加共模電壓范圍

根據其來(lái)源， 共模電壓 可能是直流或交流信號。工業(yè)設備中的來(lái)源可能來(lái)自：

• 線(xiàn)路或接地故障。

• 由附近電機、機器或大功率瞬變的電磁干擾引起的與電纜或端子的電容或電感耦合。

• 電纜遭受雷擊。

例如，未接地的電線(xiàn)在 50Hz 至 60Hz 下的 共模噪聲 水平通常為 4V 至 5V。一些化工廠(chǎng)可能會(huì )遇到高達 60V 的共模噪聲。眾所周知，船用系統具有高達 35V 的共模噪聲信號。

共模電壓 的存在也并非總是無(wú)意的。 一些應用在設計上具有共模電壓差 ，例如連接到高壓電池中的電芯的輸入、浸入電解質(zhì)溶液或熔融金屬熔爐中的裸露熱電偶。

如果模擬輸入模塊不是為高電壓設計的，則高共模電壓可能會(huì )導致電壓超過(guò)輸入級放大器、多路復用器或模數轉換器 (ADC) 的絕對最大額定值，從而導致永久性電路損壞 。即使輸入受到高壓保護，高共模電壓也可能導致精度下降并導致讀數不可靠。

支持級別

模擬輸入模塊上的 高共模電壓 有不同的 支持級別 ：

• 過(guò)壓保護 。該模塊受到高共模電壓保護，但在發(fā)生過(guò)壓事件期間不一定運行。發(fā)生此類(lèi)事件期間的讀數有誤。

• 過(guò)壓診斷和故障警報 。過(guò)壓事件由該模塊檢測并報告給處理器以指示故障。這可以確保所有讀數的可靠性。過(guò)壓期間沒(méi)有讀數。

• 正常運行，精度降低 。一些模塊可以在發(fā)生高共模電壓事件期間運行，但精度會(huì )降低。

• 正常運行，精度不受任何影響 。在這種高共模電壓支持級別下，輸入模塊即使在發(fā)生此類(lèi)事件期間也能保持高精度。

設計難題是如何在高共模電壓下實(shí)現正常運行（精度不受影響或降低） 。

支持技術(shù)

有 三種通用技術(shù) 可以支持模擬輸入上的高共模電壓，并提供多種拓撲：

• 接地隔離 。

• 共模阻斷 ，使用：

  – PhotoMOS 開(kāi)關(guān)或

  – 高電壓多路復用器

• 共模調節 ：

  – 使用電阻分壓器和儀表放大器 (INA)。

  – 分立式或集成式差分放大器。

接地隔離 可為每個(gè)通道創(chuàng )建具有單獨本地接地的完全隔離通道。通道之間的共模差可以與隔離器件的隔離柵一樣高。

該技術(shù)通?？蛇_到幾千伏范圍內的可能最大共模電壓 。

使用 共模阻斷技術(shù) ，有源通道通過(guò)信號鏈，并將負極端子假定為接地端（模塊接地被隔離）。所有其他通道都通過(guò)具有高阻斷電壓的開(kāi)關(guān)進(jìn)行阻斷。

在 共模調節技術(shù) 中，通過(guò)放大器之前或周?chē)臒o(wú)源衰減來(lái)降低高共模電壓，從而避免超過(guò)放大器電壓限制。 阻斷和調節技術(shù)都可以實(shí)現基于器件和電源的中低共模電壓支持 。

通道間隔離拓撲

該拓撲可實(shí)現更大的共模范圍 。該拓撲依賴(lài)于在電隔離島中構建單獨的輸入通道，每個(gè)島具有單獨的懸空接地，如圖 2 所示。 ADC 通過(guò)數字信號隔離器連接至處理單元 。通過(guò)隔離式功率級對模擬前端和 ADC 進(jìn)行供電。 ISO6742 等數字隔離器可實(shí)現 5kVRMS 隔離電壓，可能高于現成變壓器隔離電壓（1.5kVRMS 至 5kVRMS）。如果一個(gè)通道所需的功率低于 0.5W， ISOW7741 等集成式電源和數據隔離器可幫助節省空間和成本。

圖 2：通道間隔離拓撲

通道間隔離拓撲 要求每個(gè)通道具有單獨的模擬前端、轉換器、隔離器和功率級。該拓撲成本更高，功耗更高，占用的板面積也更大。 該拓撲還可以實(shí)現更高的共模電壓范圍、更佳的性能和更高的可靠性 。

高電壓多路復用器

高電壓多路復用器 是支持高共模電壓的極具吸引力的解決方案。它們不會(huì )影響輸入阻抗，并能實(shí)現快速開(kāi)關(guān)和寬帶寬。它們相對較新，是高電壓金屬氧化物半導體技術(shù)最近取得進(jìn)展的結果。 它們需要涵蓋共模電壓范圍和輸入差分信號的電源 。 此外， 需要為模擬信號鏈中的其他器件（例如放大器）提供保護，使其免受可能的高電壓的影響 。

圖 3 顯示了 TMUX8109 4 比 1 差分高電壓多路復用器。除 ±10V 的典型差分輸入之外，該 100V 多路復用器還可以支持 80V 的共模電壓差。通過(guò)在多路復用器之后使用 過(guò)壓保護放大器 （例如圖 3 所示的 INA823 ）， 可以消除對外部保護二極管的需求，并且支持使用典型電壓信號鏈 （例如 ±15V）。

圖 3：高電壓多路復用器拓撲方框圖

將信號接地（通常在模擬輸入模塊中隔離）連接到活動(dòng)通道（圖 3 中的 CH1）的負輸入可確?；顒?dòng)通道正確地偏置模塊信號鏈 。通道之間的切換時(shí)間受放大器開(kāi)關(guān)時(shí)間的限制，對于 0.001% 穩定，該時(shí)間約為 14μs。如果可以在板上生成高電壓電源，則高電壓多路復用器支持 50V 至 80V 范圍內的共模電壓差。請注意，每個(gè)電源軌所需的高電壓電源電流低于 0.5mA。如果只需要高阻斷電壓，請考慮具有多通道輸入的高電壓開(kāi)關(guān)，例如 TMUX8212 ，如圖 4 所示。

圖 4：高電壓開(kāi)關(guān)拓撲方框圖

PhotoMOS 開(kāi)關(guān)

可以安排 單極單擲 photoMOS 開(kāi)關(guān) 來(lái)創(chuàng )建差分 N 比 1 多路復用器，也可以將其用作開(kāi)關(guān)，如圖 3 和圖 4 所示。 由于 photoMOS 開(kāi)關(guān)具有高阻斷電壓（60V 至 300V），因此產(chǎn)生的多路復用器類(lèi)似于高電壓多路復用器 。

photoMOS 開(kāi)關(guān) 的主要優(yōu)點(diǎn)是 這些開(kāi)關(guān)不需要高電壓電源即可工作，而且這些開(kāi)關(guān)通常具有低阻抗（其范圍僅為幾 ?） 。不過(guò)，這些開(kāi)關(guān)也有缺點(diǎn)；這些開(kāi)關(guān)在控制引腳上需要相對較高的電流（差分輸入雙路開(kāi)關(guān)約為 7mA），在關(guān)閉狀態(tài)下具有相對較高的漏電流（可以達到 1μA），并且開(kāi)關(guān)時(shí)間較長(cháng)（幾毫秒）。

一個(gè)電阻分壓器和 INA

圖 5 展示了一個(gè) 電阻分壓器 ，后跟 INA826 INA。分壓器可以降低共模電壓，但也可以調節差分輸入信號。為了盡可能擴大動(dòng)態(tài)范圍，INA 可以放大差分信號，使其恢復到原始信號電平。

圖 5：一個(gè)電阻分壓器后跟 INA 的拓撲

方程式 1 和方程式 2 分別表示增益系數 G1 和 G2。

方程式 1 和方程式 2

該拓撲的 權衡 包括：

• 共模范圍與輸入噪聲 。高 R _i 與 R _f 比可增大共模電壓范圍，但也會(huì )使輸入信號衰減，并在被再次放大 G2 時(shí)增加輸入噪聲。

• 輸入阻抗與輸入噪聲 。高 R _i 和 R _f 可以增加輸入阻抗，但也會(huì )增加輸入噪聲。

精密高阻值電阻器并不容易獲得，這會(huì )將輸入阻抗的實(shí)際上限設置為約 1MΩ。

如果使用 ±15V 電源，則 G1 = 0.249 且 G2 = 4.01 會(huì )產(chǎn)生 ±36V 的共模電壓范圍。

該拓撲的 共模抑制比 (CMRR) 是電阻器精度的函數，其范圍通常為 70dB 至 80dB。失調電壓取決于共模。 由于無(wú)法補償增益漂移（電阻器溫度系數）和取決于共模的失調電壓，因此該拓撲的不準確下限高于滿(mǎn)量程的 0.1% 。

分立式差分放大器

圖 6 顯示的 分立式差分放大器 可在保持差分輸入信號的同時(shí)抑制共模信號。放大器增益由方程式 3 表示。

方程式 3

圖 6：分立式差分放大器拓撲

對于 ±15V 電源，該拓撲的共模電壓范圍計算結果為 ±36V。該拓撲具有與 電阻分壓器 拓撲 類(lèi)似的缺點(diǎn) – 在某些方面更糟糕。最重要的權衡是輸入阻抗與帶寬。 在高輸入阻抗的情況下，高 R _f 以及放大器的輸出電容極大地限制了級帶寬 。1MΩ 輸入阻抗和 G = 1 會(huì )導致帶寬小于 10kHz。出于實(shí)際考慮，輸入阻抗通常限制為 1MΩ。

集成式差分放大器

圖 7 所示的 INA148 放大器等集成器件可以顯著(zhù)消除分立式差分放大器的缺點(diǎn)。集成電阻器后，可以將電阻器之間的匹配度修整至更高的值。 由于可以精確修整到任意的電阻器阻值，因此能夠實(shí)現使用較低阻抗的更復雜的反饋結構，從而極大地擴展差動(dòng)放大器的帶寬 。

圖 7：集成式差分放大器

憑借復雜的反饋結構，可在 ±15V 電源下實(shí)現 ±200V 的共模范圍、超低的增益誤差（小于 0.1%）和超高的 CMRR（大于 86dB）。 該拓撲可以在通道間實(shí)現后實(shí)現更高的共模電壓范圍 。

選擇合適的拓撲

不要因拓撲種類(lèi)繁多而不知所措。 影響拓撲選擇的主要參數是 共模電壓范圍、信號帶寬、是否需要快速開(kāi)關(guān)（多路復用系統）、所需的輸入阻抗和總成本 。 阻斷拓撲 是多路復用的，可減少 ADC 通道數量并降低系統成本。其他拓撲要求每通道采用一個(gè)放大器，但通常提供更寬的帶寬，在同步采樣的情況下這是強制性的。

表 1 比較了不同的拓撲。

表 1：不同的拓撲

如果您需要超高的共模范圍（大于 200V），則 通道間隔離式拓撲 是唯一的選擇。對于 50 和 200 之間的共模范圍，您可以選擇 photoMOS 開(kāi)關(guān) （如果可以接受非常慢的開(kāi)關(guān)）或為每個(gè)通道提供一個(gè) 集成分立式放大器 。對于小于 50V 的共模范圍，請選擇 高電壓多路復用器 。如果需要高輸入阻抗，則可以在多路復用系統中使用 多路復用器拓撲 ，速率高達 50kSPS。

當需要同步采樣或仍將使用多通道 ADC 時(shí)，請選擇基于放大器的方法。 集成式差分放大器 具有更高的性能，而 分立放大器 具有更低的性能，但其成本更低。 電阻分壓器 在性能和成本方面都處于中間位置。