为放大器模拟输入模块提供可靠的输入过电压保护
Signal Chain Basics #159: Provide robust input overvoltage protection for amplifier analog input modules
可编程逻辑控制器中的一个关键子系统是模拟输入模块，它提供一个高精度的前端来测量各种传感器。然而，在许多情况下，放大器输入级通过长电缆连接到远程传感器，并且容易受到过电压条件的影响。本文介绍运算放大器（运放）输入过电压保护的基本概念，讨论过电压故障时如何选择合适的钳位保护电路。
输入模块中使用的运算放大器的数据表应提供电力过压应力条件下绝对最大额定值的规范。电力过压应力状态分为两类：静电放电（ESD）和输入电力过压应力（EOS）。静电放电事件是两个物体在不同静电势下的静电突然转移。静电势通常可以相隔数千伏特，电荷转移通常发生在几秒钟之内。相反，当电路暴露在过电压条件下（例如由无意连接引起的故障）相当长的一段时间时，会发生EOS事件。这些EOS额定值代表设备能够承受的最大电源电压、输入电压和输入电流而不会损坏。表1显示了代表性精密运算放大器德州仪器OPA2205的绝对最大额定值。
表1德州仪器OPA2205精密放大器的绝对最大额定值。
通常，运算放大器具有内部ESD保护结构，设计用于在制造和生产测试期间保护运算放大器。ESD保护中使用的三种常见结构，如图1所示，是串联电阻器、转向二极管和吸收装置。转向二极管打开并将ESD脉冲从敏感电路元件引向吸收装置。吸收装置吸收ESD脉冲的能量并限制电压水平以防止损坏。
图1通常，三个ESD保护结构包含在运算放大器中。
EOS运算放大器的最大额定值基于内部ESD二极管能够承受的最大电压和持续电流。然而，这些结构并不意味着保护装置，以防在电路故障条件下可能发生的较长时间的EOS事件。相反，可能需要外部电路夹来保护运放输入电路免受EOS事件的影响。Schottky二极管和串联电阻有助于保护运放输入免受过电压故障的影响。
让我们考虑图2中所示的±10-V模拟输入模块电路。在这个电路中，运算放大器缓冲器提供了一个高输入阻抗与各种传感器接口。THP210全差分放大器（FDA）对缓冲信号进行衰减和电平变换，以驱动模数转换器。FDA是一个精密、低噪声、低漂移放大器，被配置为一个角频率为100khz的二阶巴特沃斯低通滤波器。
图2这个高阻抗±10-V模拟输入模块前端使用Schottky二极管和其他元件来保护运放免受EOS事件的影响。
本例中显示了两种类型的保护电路，钳位电路设计用于为±40-V连续过电压故障提供输入保护。瞬态电压抑制（TVS）二极管用于钳制电源轨，使钳制电路电流下降，以保持电源低于运放的±20-V绝对电源额定值。TVS二极管类似于齐纳二极管，但设计用于快速、大的瞬态功耗。图中所示的SMF12A是一种单向电视机，反向隔离电压为12V，击穿电压为14.7V，最大箝位电压为19.9V。如图3所示，使用1.24-kΩ1/2-W电阻，在±40-V故障期间，电流限制在20毫安。
Schottky二极管，在这里用于运放输入，有一个金属半导体结，提供比硅结二极管更低的正向电压降，例如那些用于运放的ESD保护。图3详细说明了外部保护钳位电路的这个属性如何与那些内部ESD二极管一起工作。
在本例中，BAS40是小信号Schottky二极管，在1毫安时正向电压接近~380毫伏。相比之下，内部ESD结构在相同正向电流下的正向电压约为550mV。因此，Schottky二极管在放大器的内部ESD二极管之前打开，并且大部分的涌入电流流过外部钳位。内部ESD结构只能承受10毫安，而外部Schottky二极管可以处理高达200毫安的正向连续电流，提供强大的保护。
图3这个常用的运放输入保护Schottky二极管钳位在内部二极管之前打开，通过外部二极管路由大部分的涌入电流。
虽然外部Schottky二极管钳位提供了强大的过电压保护，但这种钳位的缺点是它会引入信号误差。在正常工作过程中，反向偏置Schottky二极管显示出一个反向漏电流流过RLIMIT电阻，产生不希望的偏移。在这个例子中使用的BAS40提供了一个非常低的泄漏电流200毫安，保持最小的偏移误差。您也可以选择减小RLIMIT电阻，以将这些偏移误差减至最小，而折衷方法是增加故障电流。故障电流的增加需要一个额定功率更高的电阻器。
然而，二极管漏电流随反向电压的变化很小，因此，二极管之间的反向漏电流失配会导致输入电压的非线性误差很小。此外，二极管的漏电流随温度呈指数增长。例如，这种Schottky的典型漏电流在25⁰C时约为~20nA；但是，在85⁰C时，这种漏电流可增加到2μA，在100⁰C以上时可增加到10μA。
幸运的是，一些现代精密运算放大器提供集成输入过电压保护，消除了这种类型的外部钳位电路的需要。图4显示了OPA2206的集成输入保护。它的输入受到保护，使电压超过任一电源的±40 V，或在电源关闭的情况下达到±40 V。
图4集成运放输入保护夹随着输入过载而改变阻抗，在EOS期间提供保护，同时将正常运行期间的影响降至最低。
OPA2206的内部保护电路在正常信号条件下提供低串联阻抗，从而保持所需的运算放大器精度。但是，如果输入过载，保护电路会增加串联阻抗，并将输入电流限制在大约±5毫安的值。因此，集成的输入保护夹使您能够获得准确的结果与可靠的保护，同时降低成本和缩小解决方案的规模。
过电压保护是一个广泛的课题，所示的方法只是保护运放输入的许多不同方法中的一部分。更多信息，请查看TI Precision Labs–Electrical Overstress视频系列。本系列将详细介绍EOS运放保护以及如何为您的应用设计合适的钳位电路。