引言

在惡劣的工廠和工藝環(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(dá)數(shù)百伏的 高共模電壓 。該共模電壓來(lái)自不同的來(lái)源，它是由耦合或線路問(wèn)題導(dǎo)致的。 在存在高共模電壓的情況下保持模擬轉(zhuǎn)換所需的精度對(duì)模塊設(shè)計(jì)人員而言是一個(gè)挑戰(zhàn) 。

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

共模電壓源及其對(duì)可靠性的影響

采用具有隔離接地的 PLC 模擬輸入模塊 和 數(shù)據(jù)采集卡 是很常見(jiàn)的現(xiàn)象， 這可以提高模塊的可靠性并使輸入級(jí)能夠跟蹤源接地 。當(dāng)通過(guò)差分信號(hào)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(hào)。這是高度簡(jiǎn)化的說(shuō)明；實(shí)際上，可能存在與機(jī)箱接地、大地接地或保護(hù)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(hào)絕對(duì)輸入范圍（全輸入范圍）：差分輸入范圍加共模電壓范圍

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

• 線路或接地故障。

• 由附近電機(jī)、機(jī)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，未接地的電線在 50Hz 至 60Hz 下的 共模噪聲 水平通常為 4V 至 5V。一些化工廠可能會(huì)遇到高達(dá) 60V 的共模噪聲。眾所周知，船用系統(tǒng)具有高達(dá) 35V 的共模噪聲信號(hào)。

共模電壓 的存在也并非總是無(wú)意的。 一些應(yīng)用在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的，則高共模電壓可能會(huì)導(dǎo)致電壓超過(guò)輸入級(jí)放大器、多路復(fù)用器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的絕對(duì)最大額定值，從而導(dǎo)致永久性電路損壞 。即使輸入受到高壓保護(hù)，高共模電壓也可能導(dǎo)致精度下降并導(dǎo)致讀數(shù)不可靠。

支持級(jí)別

模擬輸入模塊上的 高共模電壓 有不同的 支持級(jí)別 ：

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

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

• 正常運(yùn)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(yùn)行，但精度會(huì)降低。

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

設(shè)計(jì)難題是如何在高共模電壓下實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)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?fù)洌?/p>

• 接地隔離 。

• 共模阻斷 ，使用：

  – PhotoMOS 開(kāi)關(guān)或

  – 高電壓多路復(fù)用器

• 共模調(diào)節(jié) ：

  – 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(dú)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)通常可達(dá)到幾千伏范圍內(nèi)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(hào)鏈，并將負(fù)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(diào)節(jié)技術(shù) 中，通過(guò)放大器之前或周圍的無(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(diào)節(jié)技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)基于器件和電源的中低共模電壓支持 。

通道間隔離拓?fù)?/span>

該拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)更大的共模范圍 。該拓?fù)湟蕾囉谠陔姼綦x島中構(gòu)建單獨(dú)的輸入通道，每個(gè)島具有單獨(dú)的懸空接地，如圖 2 所示。 ADC 通過(guò)數(shù)字信號(hào)隔離器連接至處理單元 。通過(guò)隔離式功率級(jí)對(duì)模擬前端和 ADC 進(jìn)行供電。 ISO6742 等數(shù)字隔離器可實(shí)現(xiàn) 5kVRMS 隔離電壓，可能高于現(xiàn)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(shù)據(jù)隔離器可幫助節(jié)省空間和成本。

圖 2：通道間隔離拓?fù)?/p>

通道間隔離拓?fù)?nbsp;要求每個(gè)通道具有單獨(dú)的模擬前端、轉(zhuǎn)換器、隔離器和功率級(jí)。該拓?fù)涑杀靖?，功耗更高，占用的板面積也更大。 該拓?fù)溥€可以實(shí)現(xiàn)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(fù)用器

高電壓多路復(fù)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(xiàn)快速開(kāi)關(guān)和寬帶寬。它們相對(duì)較新，是高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)最近取得進(jìn)展的結(jié)果。 它們需要涵蓋共模電壓范圍和輸入差分信號(hào)的電源 。 此外， 需要為模擬信號(hào)鏈中的其他器件（例如放大器）提供保護(hù)，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(fù)用器。除 ±10V 的典型差分輸入之外，該 100V 多路復(fù)用器還可以支持 80V 的共模電壓差。通過(guò)在多路復(fù)用器之后使用 過(guò)壓保護(hù)放大器 （例如圖 3 所示的 INA823 ）， 可以消除對(duì)外部保護(hù)二極管的需求，并且支持使用典型電壓信號(hào)鏈 （例如 ±15V）。

圖 3：高電壓多路復(fù)用器拓?fù)浞娇驁D

將信號(hào)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(fù)輸入可確?；顒?dòng)通道正確地偏置模塊信號(hào)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(duì)于 0.001% 穩(wěn)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(fù)用器支持 50V 至 80V 范圍內(nèi)的共模電壓差。請(qǐng)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(qǐng)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?fù)浞娇驁D

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(fù)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(fù)用器類似于高電壓多路復(fù)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(duì)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(duì)較高的漏電流（可以達(dá)到 1μA），并且開(kāi)關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)（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(diào)節(jié)差分輸入信號(hào)。為了盡可能擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，INA 可以放大差分信號(hào)，使其恢復(fù)到原始信號(hào)電平。

圖 5：一個(gè)電阻分壓器后跟 INA 的拓?fù)?/p>

方程式 1 和方程式 2 分別表示增益系數(shù) G1 和 G2。

方程式 1 和方程式 2

該拓?fù)涞?nbsp;權(quán)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(hào)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(shè)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?fù)涞?nbsp;共模抑制比 (CMRR) 是電阻器精度的函數(shù)，其范圍通常為 70dB 至 80dB。失調(diào)電壓取決于共模。 由于無(wú)法補(bǔ)償增益漂移（電阻器溫度系數(shù)）和取決于共模的失調(diào)電壓，因此該拓?fù)涞牟粶?zhǔn)確下限高于滿量程的 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(hào)的同時(shí)抑制共模信號(hào)。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?fù)?/p>

對(duì)于 ±15V 電源，該拓?fù)涞墓材ｋ妷悍秶?jì)算結(jié)果為 ±36V。該拓?fù)渚哂信c 電阻分壓器 拓?fù)?nbsp;類似的缺點(diǎn) – 在某些方面更糟糕。最重要的權(quán)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(jí)帶寬 。1MΩ 輸入阻抗和 G = 1 會(huì)導(dǎo)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?qū)崿F(xiàn)使用較低阻抗的更復(fù)雜的反饋結(jié)構(gòu)，從而極大地?cái)U(kuò)展差動(dòng)放大器的帶寬 。

圖 7：集成式差分放大器

憑借復(fù)雜的反饋結(jié)構(gòu)，可在 ±15V 電源下實(shí)現(xiàn) ±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?fù)淇梢栽谕ǖ篱g實(shí)現(xiàn)后實(shí)現(xiàn)更高的共模電壓范圍 。

選擇合適的拓?fù)?/span>

不要因拓?fù)浞N類繁多而不知所措。 影響拓?fù)溥x擇的主要參數(shù)是 共模電壓范圍、信號(hào)帶寬、是否需要快速開(kāi)關(guān)（多路復(fù)用系統(tǒng)）、所需的輸入阻抗和總成本 。 阻斷拓?fù)?nbsp;是多路復(fù)用的，可減少 ADC 通道數(shù)量并降低系統(tǒng)成本。其他拓?fù)湟竺客ǖ啦捎靡粋€(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(qiáng)制性的。

表 1 比較了不同的拓?fù)洹?/p>

表 1：不同的拓?fù)?/p>

如果您需要超高的共模范圍（大于 200V），則 通道間隔離式拓?fù)?nbsp;是唯一的選擇。對(duì)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?yàn)槊總€(gè)通道提供一個(gè) 集成分立式放大器 。對(duì)于小于 50V 的共模范圍，請(qǐng)選擇 高電壓多路復(fù)用器 。如果需要高輸入阻抗，則可以在多路復(fù)用系統(tǒng)中使用 多路復(fù)用器拓?fù)?nbsp;，速率高達(dá) 50kSPS。

當(dāng)需要同步采樣或仍將使用多通道 ADC 時(shí)，請(qǐng)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。