摘要

具有ESD保护功能的耗尽型MOSFET代替JFET器件和普通耗尽型MOSFET，能有效抑制各种干扰，极大提高整个系统的稳定性和安全性。由于智能变送器在工业控制、物联网、轨道交通、航空航天等领域的广泛应用，特别是近年自动驾驶汽车、医疗仪器和能源环境控制系统应用的日益普及，系统智能化、集成化、小型化的发展趋势对智能变送器的性能、品质要求不断提高，关键模块DAC在恶劣环境下有效的抗干扰能力是整个变送器工作稳定、系统安全的重要保障。

传统的JFET器件能实现稳定供电，但不能起到有效的抗干扰作用。普通耗尽型MOSFET器件替代传统的JFET器件，能稳定供电，并能有效抑制浪涌、瞬态电流、电压干扰，但没有静电防护功能。为更有效解决系统电路保护的问题，通过对器件本身结构进行研究，开发自带ESD保护功能的耗尽型MOSFET。在实际测试和使用中有效验证了该器件对DAC模块的供电，不仅能稳定供电，抑制浪涌、瞬态电流、电压干扰，而且能有效消除静电对器件的损坏可能性。该器件的应用大大提高了智能变送器的稳定性，对自动驾驶汽车和医疗仪器的安全性有重要作用。

前言

随着智能变送器在工业控制、物联网、轨道交通、航空航天等领域的广泛应用，特别是近年自动驾驶汽车、医疗仪器和能源环境控制系统应用的日益普及，市场增量的急剧增长，未来其趋势必然是向具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能的智能化、测量和控制系统一体的集成化、特殊环境应用的小型化、设计与生产标准化以及应用广泛化等方向发展，同时对智能变送器的性能、品质要求不断提高。

传统变送器仅提供标准的模拟4mA~20mA二线制信号传送，随着微电子技术发展，HART协议下出现功能更强大的智能变送器，其特点是用微处理芯片完成信号的探测、变换、逻辑判断、计算，实现自检、自校正、自补偿、自诊断，直接与计算机进行数字通信，低功耗电路中采用信道复用技术，在传输数字信号的同时，保留4mA~20mA电流环信号，数模兼容，共用一条总线进行双向通信。智能变送器具有抗干扰能力强、传输距离远、高精度、多功能的特点，是传感器领域的一次技术飞跃，正逐步替代传统变送器。因此，组成智能变送器硬件系统的低功耗、高精度元器件的选用是研制高性能智能变送器安全稳定工作的关键。其中，DAC模块采用智能元件单点和多点的校准、零点补偿以及时漂在线修正等手段，大大提高了智能变送器的精度，DAC模块自身在恶劣环境下的供电及对浪涌、瞬态干扰的抑制是整个传感器系统安全、工作稳定的关键保障。

本文以行业中普遍使用的DAC模块AD421为例，分析耗尽型MOSFET对DAC的供电与保护的原理及优劣势，给出了实际应用需要注意的问题及解决方案。

01

智能变送器与DAC模块

智能变送器以低功耗微控制器为中心，包含4个主要功能模块：传感器信号调理与ADC检测模块、人机交互、Hart通信、DAC模块。典型硬件设计如图1所示。

图1 智能变送器典型硬件结构

其中，DAC选型上采用较普及的是AD421。AD421是美国 ADI公司推出的一种单片高性能数模转换器，它由电流环路供电，16位数字信号串行输入，4mA~20mA电流输出，完全符合设计智能变送器的工业控制标准信号输出要求，可实现远程智能工业控制。AD421主要具有3个功能：将微处理器的数字数据转换成模拟格式信号；环路电流的放大；从环路电源获取稳定的工作电压。AD421引脚及功能如图2所示。

图2 AD421引脚及功能

02

DAC供电与保护

DAC从环路电源获取稳定的工作电压，为稳定AD421自身电压及发射电路其余部分供电的环路电压，系统稳压器由一个运算放大器、一个带隙基准电压源和一个外部耗尽型FET调整管组成。稳压器结构功能如图3所示。

图3 AD421稳压功能内部及外围电路示意图

LV引脚信号通过更改运算放大器反相输入端和V_CC引脚之间电阻分压器的增益来选择 V_CC稳定的目标值。随着LV引脚在COM和V_CC之间变化，稳压器环路的电压输出标称值会在3V和5V之间变化：LV连接到COM调节电压为5V；LV通过一个电容连接到V_CC调节电压为3.3V；LV连接到V_CC调节电压为3V。如图3配置，可以使用的环路电压范围是由FET击穿电压和饱和电压确定的，必须选择外部FET的V_GS(OFF)、I_DSS和跨导等参数，以便DRIVE引脚上的运算放大器输出在V_CC至COM的范围摆动时可正确控制FET工作点，FET选型时主要特性参数要求如表1所示。

表 1 AD421外围稳压与保护功能FET特性要求

关于FET选型，由于要求耗尽型模式（Depletion Mode），理论上可以采用JFET，且业界对JFE的Normally-On特性比较熟悉，故一些文章推荐采用JFET。由于JFET结构的特性，耐压一般最高50V，虽然JFET器件能起到稳压作用，但不能有效抑制较高的浪涌或瞬态干扰，在实际电路中并不能达到电路保护需求。ADI公司推荐的FET型号是Supertex制造的DN2530、DN2540、DN3545等，均是BV_DSX在350V、450V的N沟道耗尽型MOSFET（Depletion-Mode MOSFET）。

提到MOSFET，工程师想到和用到的都是Normally-Off的增强型MOSFET，耗尽型MOSFET由于型号较少，在过去电路设计工程师对其的了解和应用经验较少，但在智能变送器DAC的稳压和保护中，耗尽型MOSFET是理想的选择。

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