如何確保自動(dòng)化應(yīng)用流程的精度

工廠自動(dòng)化應(yīng)用中的精度取決于許多因素，例如精度、溫度漂移和噪聲。但是，在最初設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，您可能忽略了另外兩個(gè)關(guān)鍵因素：安全性和可重復(fù)性。為了確保來(lái)自場(chǎng)傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或來(lái)自數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的信號(hào)在啟動(dòng)時(shí)一致和精確，重要的是要有一個(gè)精確的參考電壓。該系統(tǒng)還需要有一個(gè)適當(dāng)?shù)膯?dòng)周期，以防它遇到大量電流。該電流稱為浪涌電流，它是啟動(dòng)時(shí)從電源汲取的最大電流。由于系統(tǒng)中的容性負(fù)載通常出現(xiàn)在電源軌周圍，因此浪涌電流可能比系統(tǒng)設(shè)計(jì)的典型電流大得多。這可能是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)閱?dòng)期間的浪涌電流會(huì)導(dǎo)致低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 和串聯(lián)電壓基準(zhǔn)超出穩(wěn)壓范圍，并對(duì)系統(tǒng)精度和穩(wěn)壓產(chǎn)生負(fù)面影響。

涌入電流不僅適用于工廠自動(dòng)化系統(tǒng)，例如 PLC 和現(xiàn)場(chǎng)變送器，而且還適用于需要隔離的工業(yè)系統(tǒng)和其他 4-20mA 電流回路應(yīng)用。這是因?yàn)檫@些系統(tǒng)通常會(huì)定期打開(kāi)和關(guān)閉以進(jìn)行測(cè)量和自動(dòng)化?？纯丛趩?dòng)期間沒(méi)有浪涌電流保護(hù)的系統(tǒng)，浪涌電流的阻抗非常小。這是因?yàn)殡娫赐ǔ＞哂休^小的串聯(lián)阻抗，而任何 LDO 的 R DSON都較低，因此沒(méi)有足夠的阻抗來(lái)限制啟動(dòng)期間流向電容器的電流。該電流會(huì)損壞電路板走線和不是為處理該電流而構(gòu)建的設(shè)備。

圖 1 是從電壓源到電壓參考的典型連接示例。來(lái)自 VCC 的涌入電流是由電容器 CS 和 CLoad 引起的，為了穩(wěn)定性，它們都可以是幾個(gè)微法拉。限制電流的串聯(lián)阻抗的典型總值為幾歐姆或更低；結(jié)果，浪涌電流可能達(dá)到數(shù)百毫安，并導(dǎo)致電壓基準(zhǔn)超出調(diào)節(jié)范圍，或損壞設(shè)備或電源。

圖 1：缺乏浪涌電流保護(hù)的精密電壓基準(zhǔn)

一種常見(jiàn)的解決方案是使用 Rs 來(lái)限制峰值電流，如圖 1 所示。在某些應(yīng)用中，該電阻可以高達(dá)數(shù)百歐姆以限制峰值電流。限流電阻設(shè)定上限，不控制電壓和電流的斜率。

可能導(dǎo)致的一個(gè)問(wèn)題是，如果 Rs 之后的 Cs 很小，則電容器在啟動(dòng)時(shí)無(wú)法為參考提供足夠的電流。電流不足會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)期間斜坡上升非常緩慢，這可能會(huì)影響設(shè)備的內(nèi)部上電初始化。第二個(gè)問(wèn)題是，由于 Rs 的存在，由于電阻上的連續(xù)電流，會(huì)造成功率浪費(fèi)和電壓從原始供電電壓下降。在電壓基準(zhǔn)的功耗是關(guān)鍵參數(shù)的節(jié)能應(yīng)用中，Rs 的功耗可能非常重要。您可以看到圖 2 中由大串聯(lián)電阻 Rs 引起的巨大下降。

圖 2：帶有 Rs 的精密電壓基準(zhǔn)，用于限制浪涌電流

精確的干凈開(kāi)始

雖然有外部分立解決方案來(lái)保護(hù)電壓基準(zhǔn)中的浪涌電流，但它們通常體積龐大或效率低下。該REF2125 電壓基準(zhǔn)引入了一個(gè)名為新功能“干凈啟動(dòng)”，這是類似于在其他設(shè)備上的軟啟動(dòng)功能，可以防止浪涌電流。干凈啟動(dòng)和軟啟動(dòng)均可通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入器件的電流來(lái)防止器件進(jìn)入可能影響調(diào)節(jié)電壓的不良狀態(tài)。

典型設(shè)備軟啟動(dòng)和REF2125 清潔啟動(dòng)之間的區(qū)別在于軟啟動(dòng)背后的機(jī)制。軟啟動(dòng)的工作原理是將外部電容器 C SS連接到軟啟動(dòng)引腳。然后使器件的輸出充電率與 C SS上的電流斜坡率成正比。雖然軟啟動(dòng)確實(shí)提供浪涌電流保護(hù)，但此功能在電壓基準(zhǔn)中并不常見(jiàn)。

清潔啟動(dòng)為REF2125 提供可編程浪涌電流保護(hù)，并具有軟啟動(dòng)所缺乏的額外可編程性。清潔啟動(dòng)會(huì)限制與參考電壓的 CS 引腳電壓成正比的輸出電流。這允許使用電阻器R CS和電容器C CS使斜坡上升速率的靈活性與必要的一樣漸進(jìn)或快速。當(dāng) REF2125 的 CS 引腳只有 R CS 時(shí)，器件的輸入電流被限制為 I in,peak。在這種狀態(tài)下，設(shè)備啟動(dòng)看起來(lái)類似于軟啟動(dòng)，因?yàn)殡娏麟S電阻線性上升。等式 1基于 R CS計(jì)算 I in,peak。

I in,peak ≈ 466uA + 13.54μA*Rcs (1)

干凈啟動(dòng)的一個(gè)好處是附加的可編程性，它以添加電容器 C CS的形式出現(xiàn)。除了 CS 引腳上的電阻器之外，該電容器還允許輸出電流的斜坡根據(jù) C CS和 R CS的 RC 時(shí)間常數(shù)增加，如圖 3 所示。

圖 3：具有 R CS和 C CS 的REF2125 干凈啟動(dòng)示例

如果不需要 CS 引腳的可編程性但需要浪涌電流保護(hù)，則REF3425 可以處理此問(wèn)題。在REF3425中 ，啟動(dòng)期間的斜升電流與固定開(kāi)啟時(shí)間呈線性關(guān)系，以確保器件始終按預(yù)期開(kāi)啟。

PLC 和現(xiàn)場(chǎng)變送器中的工廠自動(dòng)化需要浪涌電流保護(hù)。它們對(duì)于自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是必不可少的，尤其是因?yàn)槊總€(gè)測(cè)量和模擬輸入都必須精確可靠。雖然有分立解決方案可以幫助限制浪涌電流，但內(nèi)置解決方案是無(wú)可替代的。