设计说明

此电路所示的解决方案，可保护具有集成模拟前端 (AFE) 的高压 SAR ADC 免受电过应力的影响。这种保护通过一个外部瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管、限流电阻器和 RC 滤波器实现。本文档展示了外部保护钳位对系统性能的影响，并介绍了如何提升性能。该电路在以下终端设备中很有用：多功能继电器、交流模拟输入模块以及列车控制和管理系统。有关保护低压 SAR ADC 免受电过应力影响的信息，请参阅用于保护低压 SAR ADC 免受电过应力的影响且对性能影响超低的电路。

设计说明

1. TVS 二极管通常用于对具有集成 AFE 的高压 SAR ADC 进行电过应力保护，因为这种 ADC 仅需要一个 +5V 模拟电源，但支持高压模拟输入。例如，ADS8588S 器件在使用 5V 模拟电源时支持 ±10V。TVS 二极管导通，并将输入电压钳制为其击穿电压。
2. R_P 用于限制流入 TVS 二极管和 ADC 的电流，该电阻器有助于将输入故障信号与 TVS 二极管一同钳制。外部保护电路中的元件选择取决于特定 ADC 的绝对最大输入电压和电流额定值，以及故障信号。有关详细信息，请参阅元件选择部分。
3. 为 C_filt 选择 C0G 类型的电容器，最大限度减少失真。
4. 有关数据转换器上过应力的理论解释，请观看 TI 高精度实验室 视频系列中的数据转换器上的电过应力 视频。此视频系列详细讨论了不同类型 ADC 的保护解决方案，包括二极管选择和限流电阻器选择。

元件选型

1. 根据以下指导原则选择一个双向 TVS 二极管：
   • V_R ≥ V_IN（V_R 是 TVS 二极管的关断电压），V_IN 是 ADC 的正常输入电压，在 ADS8588S 器件上为 ±10V）
   • V_BR ≤ V_{in_Abs}（V_BR 是 TVS 二极管的关断电压，V_{in_Abs} 是 ADC 的绝对输入电压，在 ADS8588S 器件上为 ±15V）
2. 此外，根据以下限制选择一个双向 TVS 二极管：
   • 低漏电流，因为漏电流在流经串联电阻时可转化为失调电压误差。
   • 低电容，因为电容具有强电压系数，会使输入信号失真。
   • TVS 二极管会在故障条件下消耗最大功率。TVS 二极管的稳态功耗应高于故障信号的最大功率。

   根据这些指导原则，本设计使用了台湾积体电路制造股份有限公司 (TSMC®) 的 PGSMAJ10CA 双向 TVS 二极管，以保护 ADS8588S 器件，这是一款广泛使用的 TVS 二极管。本文档稍后提供了三种不同 TVS 二极管的规格，用于比较所有相关参数。

3. 可使用以下公式找出 R_P 的最小值，在故障情况下将其功率耗散限制在指定水平。该公式使用最大故障电压 (V_{EOS_Max})、最小击穿电压 (V_{BR_Min}) 和最大功率耗散 (P_{RP_Max})。在该设计中，电过应力信号上限选为 ±40V，因为这是工业系统的常见要求。PGSMAJ10CA 二极管的最低击穿电压为 11.1V，最大电阻器功率设置为 1W。在此示例中，R_P 的最小值为 835Ω，R_P 取整为 1kΩ。必须注意的是，电阻器额定功率必须具有一定的裕度，才能在温度范围内安全运行。通常的指导原则是将额定功率加倍（在本示例中为 2W）。
   

   以下公式显示了电过应力故障事件期间 R_P 中的最大电流：

   

   在 PGSMAJ10CA TVS 二极管上使用最大电流 (I_Max) 和最大钳位电压 (V_{C_Max})，计算电过应力故障事件期间二极管上消耗的最大功率。此公式的目标是确保使用 TVS 二极管的正确额定功率。对于 PGSMAJ10CA 二极管，稳态额定功率为 1W。因此本设计中有余量，因为预计不会出现超过 491mW 的连续功率。

   
4. 电阻器 R_flt 与电容器 C_flt 一起充当滤波器，并在故障条件下限制流向 ADC 输入端的电流。ADS8588S 器件的绝对最大输入电压 (V_{in_Abs}) 为 ±15V，最大输入电流 (I_{in_Abs}) 为 ±10mA。当 23.5A 的峰值电流 (I_PP) 短暂流经 PGSMAJ10CA TVS 二极管时，它的最大钳位电压 (V_{C_Max}) 为 17V。因此，R_flt 的最小值可以由以下公式确定：
   

   该公式计算出的 R_filt 为 200Ω。在此设计中，200Ω 取整为 1kΩ，显著增加设计裕度。可以调整 R_filt，以设置滤波器的截止频率，如第 5 步所示。

5. 与 R_flt 并联的电容器 C_flt 用于滤除前端电路的噪声。基于输入电阻器和电容器的截止频率公式如下所示。确切值并不重要，因此在此设计中使用 1nF 的标准值。

ADC 输入 (AIN_P) 过压条件

下图显示了施加高压连续过压正弦波信号 (60Vpp) 时的 ADC 输入电压。请注意，外部双向 TVS 二极管已导通，且过压正弦波信号被钳位至 ±12.5V_peak，该电压低于 ADS8588S 器件上 ±15V 的绝对最大输入电压 (V_{in_Abs})，因此 ADC 器件能够得到保护，不会受到过压信号的影响。

在硬件上检查 AC（SNR 和 THD）性能

以下频谱分析使用 ADS8588SEVM-PDK 和专门为此次测试设计的过压保护 (OVP) 电路板进行测量。使用包括 TVS 二极管在内的所有保护电路，测得的 THD 性能低于采用单电源并提供双极性输入的 ADS8588S 16 位高速 8 通道同步采样 ADC 数据表（测得的 SNR = 92dB，THD = –81.8dB）。

TVS 二极管上的电容变化会导致 THD 变差

之前的测试结果表明，测得的 SNR 性能符合 ADS8588S 数据表中的规格；然而，测得的 THD 性能低于数据表中的规格。导致 THD 性能变差的主要原因是电容变化较大，电容会随 TVS 二极管上施加的电压而变，请参阅模数转换器 (ADC) 上的电过应力 (EOS) 和静电放电 (ESD) 视频（属于 TI 高精度实验室 视频系列），了解有关此主题的详细理论和分析。

可通过两种解决方案来提高系统 THD 性能：使用低电容变化双向 TVS 二极管；如果系统中可以接受，则降低输入信号频率，减少 TVS 二极管上的电容和变化带来的影响。

低电容变化 TVS 二极管

TVS 二极管的电容对失真有很大影响，下表比较了 TVS 二极管在不同电容规格下的测量结果。该表说明，THD 性能随 TVS 二极管上电容的降低而得到改善。使用相同的保护电路，TSMC 的低电容双向 TVS 二极管 PGSMAJ10CA 可实现更出色的 THD 性能 (–81.8dB)。为了实现更好的 THD 性能，请使用具有更低电容和变化更小的 TVS 二极管。

更低的输入信号频率

根据下图可知，降低输入信号频率可提高测得的 THD 性能。此图使用 PGSMAJ10CA TVS 二极管测量，R_P = 1kΩ，R_flt = 1kΩ，C_flt = 1nF，ADS8588S 在 EVM 上以 200kSPS 运行。

设计采用的器件和备选器件

设计参考资料

有关 TI 综合电路库的信息，请参阅模拟工程师电路手册。