Protección contra sobrevoltaje y voltaje inverso de ADC multiplexado con seguidor de voltaje

Estoy diseñando un circuito de protección para la sección ADC de un diseño en el que estoy trabajando.

Habrá 8 señales analógicas leídas por un solo pin de la MCU a través de un multiplexor de 8 canales. Cada una de las señales analógicas pasa por un divisor de voltaje, de modo que la corriente a tierra es de aproximadamente 1 mA antes de alimentarse al multiplexor. La salida del multiplexor se alimenta a un amplificador operacional configurado como un seguidor de voltaje (búfer con ganancia 1) para que la corriente de fuga en los diodos de sujeción de entrada del ADC no afecte la lectura del ADC.

El ADC está integrado en mi MCU ARM, que puede tolerar voltajes de -0,3 a 3,3 V.

Me gustaría agregar algún tipo de circuito de protección de voltaje negativo y sobrevoltaje antes del multiplexor para protegerlo tanto a él como al amplificador operacional. Creo que el mejor candidato sería usar un conjunto de diodos de sujeción en cada señal que ingresa al multiplexor. Esto implicaría 16 diodos individuales en total (2 para cada canal ADC). Entonces, cada ruta de señal analógica se vería así:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Idealmente, esto permitiría alimentar una amplia gama de señales analógicas de CA o CC al divisor de voltaje (a la izquierda). Mi especificación de diseño sería que tolerara una señal analógica de -230 a 600 V CA o CC.

En lugar de soldar 16 diodos Schottky discretos en mi PCB, esperaba simplemente usar una matriz de diodos TVS para hacer el trabajo. Estaba pensando en usar el PUSB2X4Y en esta aplicación. Dado que tiene 4 canales de sujeción, simplemente podría usar dos de estos para sujetar los voltajes en cada uno de los 8 canales analógicos totales en cuestión.

La hoja de datos no especifica cuánta corriente continua puede soportar cada diodo, por lo que no estoy seguro de si la pieza funcionará o no. Cada conjunto de diodos TVS que he visto en Digikey solo enumera la corriente de pulso que cada diodo puede soportar... no constante. ¿Alguien sabe qué cifra aproximada planificar en el frente de corriente constante? ¿Es la práctica común no usar conjuntos de diodos TVS y optar por una multitud de Schottky discretos para hacer el trabajo?

La otra cosa de la que no estoy seguro es cómo dar cuenta de la corriente de fuga. ¿La corriente de fuga a través de D1 "cancelará" la corriente de fuga a través de D2 en funcionamiento normal o terminará afectando el voltaje que se alimenta al multiplexor? La misma pregunta con D4 y D5, aunque no me preocupan esas corrientes de fuga ya que tengo el amplificador operacional que almacena esa entrada.

Respuestas (1)

Es mejor usar diodos de silicio para D1 y D2 en lugar de schottkies, por motivos de fuga. Sé que su Vf es más grande, en papel probablemente exceda el voltaje máximo de entrada mux, pero su fuga será mucho menor. Algunos diodos de silicio se anuncian como de baja fuga. Sin embargo, no tiene mucho sentido luchar por una fuga inferior a la que proporcionará su mux. Tenga en cuenta que las corrientes de fuga de diodo y mux tienden a aumentar exponencialmente con la temperatura, a veces una cifra de hoja de datos de aspecto horrible para el peor de los casos a temperatura estará bien si solo usará su sistema a temperatura ambiente.

Utilice una resistencia entre la abrazadera del diodo y la entrada mux para limitar la corriente en los diodos de protección muxes, una vez que D1 o D2 estén sujetos.

No todos los multiplexores son iguales, algunos tienen una protección de entrada robusta ya que están diseñados para este tipo de uso. Algunos especifican que sus didoes de protección de entrada pueden tolerar una corriente alta. Haz una búsqueda amplia y lee atentamente las fichas técnicas.

No asuma que las corrientes de fuga se cancelarán. La fuga es un parámetro no controlado.

No olvide usar una clasificación de voltaje adecuada para R3, su resistencia común o de jardín generalmente solo es buena para 200v. Use varios en serie, o uno clasificado para un voltaje mucho más alto, no son demasiado caros. Los picos de 1500v son comunes en la red eléctrica.

Algo así como PUSB2X4Y tiene especificaciones de pulso en los amplificadores. Si puede tomar un pulso de microsegundos de 4.5A a 3.8v típicamente, entonces puede asumir que tomará 10s de mA todo el día, todos los días, sin vergüenza.

En caso de que no haya visto el comentario de Matthew a continuación, esto es lo que creo que estaba sugiriendo, en el diagrama de la izquierda, diodos consecutivos a través de un amplificador operacional de búfer.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Aunque se podría pensar que la salida del amplificador operacional tiene más capacidad de corriente que las entradas, todavía tiene diodos de sustrato y una especificación de corriente máxima, por lo que también necesita protección. Algunos amplificadores incluso tienen entradas especificadas muy por fuera del riel para protección de entrada, pero solo 0.3v de sobrevoltaje y especificación de corriente de maleza en el pin de salida.

Partiendo de esa idea básica, mi opinión sobre el principio se muestra a la derecha. La cadena de diodos D3-6 proporciona sujeción de voltaje a 'un poco fuera' de los rieles, R2 protege los diodos, R4 protege la entrada del amplificador, R3 protege la salida del amplificador y arranca el voltaje a través de los diodos D4 y D5 para que su fuga a la entrada es mínimo Con tal arranque, los diodos podrían ser casi cualquier cosa, incluso grandes rectificadores a prueba de bombas.

Los dos diodos en serie sugieren que se necesita cuidado en el diseño si la protección se extiende a pulsos rápidos. Considere el SOT-23 BAV99, dos diodos en serie en un paquete, para implementar el par D3,4 y el par D5,6. Se especifican > 100 mA continuos, pulso típico de 10 mS 800 mA, que para cualquier R2 razonable suena adecuado. BAT754S es una alternativa en schottky. Corrientes similares, pero voltaje de sujeción mucho más bajo.

En realidad, no necesita un amplificador operacional por canal si la fuga de su multiplexor es lo suficientemente baja. El circuito en la parte inferior muestra el único búfer que sigue al mux que controla todos los diodos de protección de entrada. Tenga en cuenta que la fuga del multiplexor aparece en la entrada del amplificador, mientras que el uso de un búfer por canal elimina la fuga del multiplexor.

El canal 'encendido' está recibiendo el voltaje de arranque correcto. Los canales 'apagados' probablemente recibirán el voltaje incorrecto, y los diodos de protección 'internos' pueden conducir bien. Esto no es un problema de medición, ya que el canal que queremos es el correcto. Puede, o no, ser un problema para lo que está impulsando esas entradas, que nuestras entradas de impedancia nominalmente altas sean arrancadas a un voltaje diferente. Si asumimos que es una fuente de corriente muy débil (nos preocupan las fugas, por lo que sabemos que no es una fuente de baja impedancia) con una gran capacitancia a tierra, puede pasar mucho tiempo después de seleccionar esa entrada antes de que el voltaje haya regresado a su valor. valor correcto

Actual leakage measurements for diodes at 15C.   
diode    -2/-5v leakage   slope resistance over +/- 10mV
-----    --------------   ------------------------------
1N4148       4nA                 30Mohm    
BAT42       35nA                  1Mohm
BAS116     <10pA (30v)         >>20Gohm

La conducción BAS116 continuó como 40pA 300mV, 45nA 450mV, 16uA 640mV. La especificación típica/máxima de BAS116 a 25 °C es 3 pA/5 nA y 3 n/80 n a 150 °C.

Eso significa que, a esa temperatura, y suponiendo que la fuga inversa varía en un factor de 2 hacia arriba y hacia abajo, y un desplazamiento del seguidor de voltaje de 3 mV, podría asumir la siguiente fuga

diode     no bootstrap      bootstrapped
-----     ------------      ------------
1N4148        6nA               1pA
BAT54        50nA               3nA
BAS116      <10pA             <<10pA

Hice esas mediciones con un medidor de £ 8 con una resistencia de entrada de 10 M y un rango de 200 mV, por lo que 10 pA por LSB, no es difícil (¡obviamente no puedo notar la diferencia entre 0 y 10 pA!). Le sugiero que haga lo mismo con los diodos elegidos y a temperaturas más altas.

Gracias por la rápida respuesta. ¿Conoces alguna matriz de diodos de silicio? ¿O estoy viendo simplemente implementar 16 diodos de silicio discretos?
Tiendo a usar duales en SOT-23 como BAV99, son pequeños y baratos y contienen dos diodos conectados en serie.
Si realmente le preocupan las fugas, use un búfer en cada señal analógica y sujételo a esa salida con diodos consecutivos (que luego pueden ser intermitentes). En el rango normal, no fluye corriente a través de los diodos ya que solo hay 1-10 mV a través de ellos. Me ha funcionado bien en el pasado.
@Matthew qué muy buena idea, los búferes de entrada R2R son útiles de todos modos. Acabo de comprar algunos LMC6482 que no son demasiado caros y tienen corriente de polarización de entrada sqrt (f'all) (pA de un solo dígito a temperatura, 10s de fA a temperatura ambiente). Si su salida va a los diodos R2R para protegerla de que la tiren, un par de diodos en la entrada la protegen sin fugas, excelente.
@Neil_UK Eso es exactamente lo que estaba sugiriendo. Me gusta tu extensión de la idea básica.
@Neil_UK Neil, gracias por dar más detalles sobre la idea de Matthew, ¡se ve increíble! No estoy seguro de lo que quiere decir cuando dice "En realidad, no necesita un amplificador operacional por canal si la fuga de su multiplexor es lo suficientemente baja ... puede arrancar la retroalimentación de todos sus diodos de protección de entrada". Entiendo cómo funcionaría el circuito que dibujó para cada entrada individual, pero no estoy seguro de cómo extenderlo a todas las entradas. ¿Necesitaría 8 de los circuitos que dibujaste? Puedo verme usando un amplificador operacional y dos diodos por canal según la idea de Matthew, pero dudaría en agregar dos resistencias y diodos adicionales por.
@macdonaldtomw ¿Has visto MAX328? Puse 'mux de baja fuga' en google. Sugieren que con una resistencia de 40k de entrada en serie de medio vatio, está protegido a una red eléctrica continua de 120v sin más componentes. Corriente de entrada máxima de 40 mA, por lo que tolerará una ESD más alta.
@Neil_UK ¡Oye, eso se ve muy bien! El único problema es que necesito una protección que mantenga los voltajes entre -0,3 y +5 voltios, pero ese MUX necesita un mínimo de 10 voltios entre sus rieles de sujeción.
Algo como NLAST4051 podría funcionar mejor: onsemi.com/pub_link/Collateral/NLAST4051-D.PDF
Sí, no está mal. Depende de si desea una corriente de fuga máxima de 100pA o 10pA. En términos de RDSon para fugas, el NLAST puntúa mejor. Buen descubrimiento.
Mi única preocupación al confiar en el MUX para la protección es que las hojas de datos no indican qué tipo de protección interna tienen... solo hace referencia a los números de corriente de fuga. En teoría, supongo que la protección interna son diodos de sujeción... ¡pero quién sabe! Al menos el MAX328 dice que es capaz de soportar 120 V CA siempre que se agregue una resistencia de 40 K a la entrada.
No, el 328 dice específicamente que tienen diodos de sustrato en los rieles, que no se encienden con menos de 0,3 V de sobrevoltaje y pueden conducir 40 mA (max328) o 50 mA (4051). Lea la sección de información de aplicaciones para el 328 'el límite de diodos internos...', 'no es necesario agregar diodos externos', 'protección continua contra fallas' o la clasificación máxima abs 4051 'corriente CC en cualquier pin 50mA'.
Genial gracias por la actualización. Creo que solo voy a usar un circuito divisor de voltaje de alta impedancia antes del MUX y luego confiaré en los diodos de sujeción internos del MUX para la protección.
@Matthew Es posible que le interesen algunas mediciones de diodos de baja fuga que hice, resultados agregados a la publicación. Mi ir al proveedor CPC solo los tiene 'hasta que se agoten las existencias', por lo que no sé si se están volviendo obsoletos.
@Matthew, una publicación reciente sugirió un amplificador de entrada femto-amp ada4530 como ejemplo de un amplificador de polarización baja que no está en un paquete DIL. Eso arranca sus diodos de protección de entrada.
Protección contra sobrevoltaje y voltaje inverso de ADC multiplexado con seguidor de voltaje
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