浅析耗尽型MOS在变送器AD421中的供电与保护(1)
本系列文章中方舟微将为大家浅析耗尽型MOS在变送器AD421中的供电与保护。
具有ESD保护功能的耗尽型MOSFET代替JFET器件和普通耗尽型MOSFET,能有效抑制各种干扰,极大提高整个系统的稳定性和安全性。由于智能变送器在工业控制、物联网、轨道交通、航空航天等领域的广泛应用,特别是近年自动驾驶汽车、医疗仪器和能源环境控制系统应用的日益普及,系统智能化、集成化、小型化的发展趋势对智能变送器的性能、品质要求不断提高,关键模块DAC在恶劣环境下有效的抗干扰能力是整个变送器工作稳定、系统安全的重要保障。传统的JFET器件能实现稳定供电,但不能起到有效的抗干扰作用。普通耗尽型MOSFET器件替代传统的JFET器件,能稳定供电,并能有效抑制浪涌、瞬态电流、电压干扰,但没有静电防护功能。为更有效解决系统电路保护的问题,通过对器件本身结构进行研究,开发自带ESD保护功能的耗尽型MOSFET。在实际测试和使用中有效验证了该器件对DAC模块的供电,不仅能稳定供电,抑制浪涌、瞬态电流、电压干扰,而且能有效消除静电对器件的损坏可能性。该器件的应用大大提高了智能变送器的稳定性,对自动驾驶汽车和医疗仪器的安全性有重要作用。
前言
随着智能变送器在工业控制、物联网、轨道交通、航空航天等领域的广泛应用,特别是近年自动驾驶汽车、医疗仪器和能源环境控制系统应用的日益普及,市场增量的急剧增长,未来其趋势必然是向具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能的智能化、测量和控制系统一体的集成化、特殊环境应用的小型化、设计与生产标准化以及应用广泛化等方向发展,同时对智能变送器的性能、品质要求不断提高。
传统变送器仅提供标准的模拟4~20mA二线制信号传送,随着微电子技术发展,HART协议下出现功能更强大的智能变送器,其特点是用微处理芯片完成信号的探测、变换、逻辑判断、计算,实现自检、自校正、自补偿、自诊断,直接与计算机进行数字通信,低功耗电路中采用信道复用技术,在传输数字信号的同时,保留4~20mA电流环信号,数模兼容,共用一条总线进行双向通信。智能变送器具有抗干扰能力强、传输距离远、高精度、多功能的特点,是传感器领域的一次技术飞跃,正逐步替代传统变送器。因此,组成智能变送器硬件系统的低功耗、高精度元器件的选用是研制高性能智能变送器安全稳定工作的关键。其中,DAC模块采用智能元件单点和多点的校准、零点补偿以及时漂在线修正等手段,大大提高了智能变送器的精度,DAC模块自身在恶劣环境下的供电及对浪涌、瞬态干扰的抑制是整个传感器系统安全、工作稳定的关键保障。
本文以行业中普遍使用的DAC模块AD421为例,分析耗尽型MOSFET对DAC的供电与保护的原理及优劣势,给出了实际应用需要注意的问题及解决方案。
图1 智能变送器典型硬件结构
1 系统结构
1.1 智能变送器与DAC模块
智能变送器以低功耗微控制器为中心,包含4个主要功能模块:传感器信号调理与ADC检测模块、人机交互、Hart通信、DAC模块。典型硬件设计如图1所示。
其中,DAC选型上采用较普及的是AD421。AD421是美国ADI公司推出的一种单片高性能数模转换器,它由电流环路供电,16位数字信号串行输入,4~20mA电流输出,完全符合设计智能变送器的工业控制标准信号输出要求,可实现远程智能工业控制。AD421主要具有3个功能:将微处理器的数字数据转换成模拟格式信号;环路电流的放大;从环路电源获取稳定的工作电压。AD421引脚及功能如图2所示。
1.2 DAC供电与保护
DAC从环路电源获取稳定的工作电压,为稳定AD421自身电压及发射电路其余部分供电的环路电压,系统稳压器由一个运算放大器、一个带隙基准电压源和一个外部耗尽型FET调整管组成。稳压器结构功能如图3所示。
LV引脚信号通过更改运算放大器反相输入端和VCC引脚之间电阻分压器的增益来选择VCC稳定的目标值。随着LV引脚在COM和VCC之间变化,稳压器环路的电压输出标称值会在3V和5V之间变化:LV连接到COM调节电压为5V;LV通过一个电容连接到VCC调节电压为3.3V;LV连接到VCC调节电压为3V。如图3配置,可以使用的环路电压范围是由FET击穿电压和饱和电压确定的,必须选择外部FET的VGS(OFF)、IDSS和跨导等参数,以便DRIVE引脚上的运算放大器输出在VCC至COM的范围摆动时可正确控制FET工作点,FET选型时主要特性参数要求如表1所示。
表1AD421外围稳压与保护功能FET特性要求
图2 AD421引脚及功能
图3 AD421稳压功能内部及外围电路示意图
关于FET选型,由于要求耗尽型模式(DepletionMode),理论上可以采用JFET,且业界对JFET的Normally-On特性比较熟悉,故一些文章推荐采用JFET。由于JFET结构的特性,耐压一般最高50V,虽然JFET器件能起到稳压作用,但不能有效抑制较高的浪涌或瞬态干扰,在实际电路中并不能达到电路保护需求。ADI公司推荐的FET型号是Supertex制造的DN2530、DN2540、DN3545等,均是BVDSX在350V、450V的N沟道耗尽型MOSFET(Depletion-Mode MOSFET)。
提到MOSFET,工程师想到和用到的都是Normally-Off的增强型MOSFET,耗尽型MOSFET由于型号较少,在过去电路设计工程师对其的了解和应用经验较少,但在智能变送器DAC的稳压和保护中,耗尽型MOSFET是理想的选择。
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描述- 成都方舟微电子有限公司成立于2008年,是国内唯一专注耗尽型MOSFET设计的公司。专业从事功率器件的研发、制造与销售,并提供电源管理、电路保护解决方案,ARK可根据客户需求,提供高端定制开发。公司专注于技术创新和应用创新,是以应用为导向不断提升技术水平的行业领军者。以市场需求带动创新研发,以技术发展引导应用升级,是ARK一贯宗旨。产品以集成控制的方式提供具有出众的功率处理和电源管理能力,自主研发的耗尽型MOSFET、SiCFET、PHOTOMOS继电器、IC集成功率器件等系列产品大量用于快充、LED、工业控制、电动汽车、通信电路、物联网、光伏、服务器电源和充电桩等领域。
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