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如何确保自动化应用流程的精度

导语：工厂自动化应用中的精度取决于许多因素，例如精度、温度漂移和噪声。但是，在最初设计系统时，您可能忽略了另外两个关键因素：安全性和可重复性。

为了确保来自场传感器的模数转换器 (ADC) 或来自数模转换器 (DAC) 的信号在启动时一致和精确，重要的是要有一个精确的参考电压。该系统还需要有一个适当的启动周期，以防它遇到大量电流。该电流称为浪涌电流，它是启动时从电源汲取的最大电流。由于系统中的容性负载通常出现在电源轨周围，因此浪涌电流可能比系统设计的典型电流大得多。这可能是一个问题，因为启动期间的浪涌电流会导致低压降稳压器 (LDO) 和串联电压基准超出稳压范围，并对系统精度和稳压产生负面影响。

涌入电流不仅适用于工厂自动化系统，例如 PLC 和现场变送器，而且还适用于需要隔离的工业系统和其他 4-20mA 电流回路应用。这是因为这些系统通常会定期打开和关闭以进行测量和自动化。看看在启动期间没有浪涌电流保护的系统，浪涌电流的阻抗非常小。这是因为电源通常具有较小的串联阻抗，而任何 LDO 的 R DSON都较低，因此没有足够的阻抗来限制启动期间流向电容器的电流。该电流会损坏电路板走线和不是为处理该电流而构建的设备。

图 1 是从电压源到电压参考的典型连接示例。来自 VCC 的涌入电流是由电容器 CS 和 CLoad 引起的，为了稳定性，它们都可以是几个微法拉。限制电流的串联阻抗的典型总值为几欧姆或更低;结果，浪涌电流可能达到数百毫安，并导致电压基准超出调节范围，或损坏设备或电源。

图 1：缺乏浪涌电流保护的精密电压基准

一种常见的解决方案是使用 Rs 来限制峰值电流，如图 1 所示。在某些应用中，该电阻可以高达数百欧姆以限制峰值电流。限流电阻设定上限，不控制电压和电流的斜率。

可能导致的一个问题是，如果 Rs 之后的 Cs 很小，则电容器在启动时无法为参考提供足够的电流。电流不足会导致启动期间斜坡上升非常缓慢，这可能会影响设备的内部上电初始化。第二个问题是，由于 Rs 的存在，由于电阻上的连续电流，会造成功率浪费和电压从原始供电电压下降。在电压基准的功耗是关键参数的节能应用中，Rs 的功耗可能非常重要。您可以看到图 2 中由大串联电阻 Rs 引起的巨大下降。

图 2：带有 Rs 的精密电压基准，用于限制浪涌电流

精确的干净开始

虽然有外部分立解决方案来保护电压基准中的浪涌电流，但它们通常体积庞大或效率低下。该REF2125 电压基准引入了一个名为新功能“干净启动”，这是类似于在其他设备上的软启动功能，可以防止浪涌电流。干净启动和软启动均可通过调节进入器件的电流来防止器件进入可能影响调节电压的不良状态。

典型设备软启动和REF2125 清洁启动之间的区别在于软启动背后的机制。软启动的工作原理是将外部电容器C SS连接到软启动引脚。然后使器件的输出充电率与 C SS上的电流斜坡率成正比。虽然软启动确实提供浪涌电流保护，但此功能在电压基准中并不常见。

清洁启动为REF2125 提供可编程浪涌电流保护，并具有软启动所缺乏的额外可编程性。清洁启动会限制与参考电压的 CS 引脚电压成正比的输出电流。这允许使用电阻器R CS和电容器C CS使斜坡上升速率的灵活性与必要的一样渐进或快速。当 REF2125 的 CS 引脚只有 R CS 时，器件的输入电流被限制为 I in,peak。在这种状态下，设备启动看起来类似于软启动，因为电流随电阻线性上升。等式 1基于 R CS计算 I in,peak。

I in,peak ≈ 466uA + 13.54µA*Rcs (1)

干净启动的一个好处是附加的可编程性，它以添加电容器 C CS的形式出现。除了 CS 引脚上的电阻器之外，该电容器还允许输出电流的斜坡根据 C CS和 R CS的 RC 时间常数增加，如图 3 所示。