保護(hù)現(xiàn)場變送器免受浪涌瞬變的影響
發(fā)布時間：2019-03-26 發(fā)布作者：
如果您是從事現(xiàn)場發(fā)射器的設(shè)計人員，您可能正在考慮安裝系統(tǒng)的物理環(huán)境。工業(yè)傳感器應(yīng)用需要強(qiáng)大的保護(hù)方案，因為它們可能會遇到由雷電，接地回路，靜電放電（ESD）和電快速瞬變（EFT）突發(fā)產(chǎn)生的破壞性浪涌。這些高浪涌事件可能會導(dǎo)致電纜感應(yīng)電壓，從而導(dǎo)致大電壓尖峰出現(xiàn)在從未設(shè)計用于處理它們的電路上。
在這篇文章中，我將討論選擇瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管用于現(xiàn)場發(fā)射器的ESD和浪涌保護(hù)的主要挑戰(zhàn)。
在工廠自動化和過程控制中，現(xiàn)場
變送器根據(jù)傳感器的輸入信號測量關(guān)鍵參數(shù)，如溫度，壓力和流量。然后，它將測量轉(zhuǎn)換為精確的電氣表示，可通過魯棒的接口/現(xiàn)場總線傳輸?shù)娇删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）或中央單元。一些較常見的現(xiàn)場變送器通信協(xié)議是工廠自動化中的IO-Link和過程自動化中的4-20mA /高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器（HART）回路接口。圖1顯示了溫度變送器的高級框圖，包括信號輸入/輸出（I / O）保護(hù)。
與所有帶外部接口的系統(tǒng)一樣，您的系統(tǒng)必須具有國際電工委員會（IEC）61000-4-2 ESD和IEC 61000-4-5浪涌保護(hù)。IEC 61000-4-5浪涌標(biāo)準(zhǔn)是在更高電流和更長持續(xù)時間方面較嚴(yán)格的瞬態(tài)抗擾度測試，其應(yīng)用通常僅限于長信號和電源線。
鉗位電壓
在現(xiàn)場變送器應(yīng)用中，有幾個需要保護(hù)的下游組件，包括多路復(fù)用器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），4-20mA收發(fā)器和低壓差（LDO）穩(wěn)壓器。遺憾的是，集成電路（IC）數(shù)據(jù)手冊通常不提供瞬態(tài)電壓抗擾度，這使得選擇正確的解決方案以更加強(qiáng)大地保護(hù)系統(tǒng)變得更加困難。
鉗位電壓是TVS二極管提供保護(hù)時系統(tǒng)所需的較低電壓電平。換句話說，它可以衡量保護(hù)解決方案對瞬態(tài)電壓的抑制程度。鉗位電壓越低，保護(hù)越好，下游元件的保護(hù)余量就越大。典型的TVS二極管鉗位電壓過高而無法保護(hù)您的系統(tǒng)，因此需要選擇具有更高耐壓額定值的下游系統(tǒng)組件，從而增加系統(tǒng)成本和電路板面積。因此，建議選擇具有低鉗位和扁平鉗位電壓技術(shù)的TVS解決方案，以便有力地保護(hù)您的系統(tǒng)。
包裝尺寸
工業(yè)現(xiàn)場變送器的典型要求是在1kV下測試（并承受）25A（8 /20μs），在IEC 61000-4-5浪涌抗擾度測試期間使用42Ω耦合網(wǎng)絡(luò)。如此高的額定功率，TVS二極管必須能夠耗散并將高壓瞬變轉(zhuǎn)移到地; 因此，您需要采用可以處理高功耗的大尺寸解決方案，從而增加電路板空間和設(shè)計復(fù)雜性。
采取例如IO-Link的傳感器變送器參考設(shè)計（圖2），其中，所述電路板空間的大部分被用于信號的I / O的保護(hù)，這占用12.5毫米傳統(tǒng)TVS二極管占用2的電路板空間SMA業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝和SMB封裝高達(dá)19.1mm 2。采用小尺寸TVS解決方案可節(jié)省電路板空間，并允許更緊密地放置在連接器上，以便將EMI保持在電路板區(qū)域之外。
漏電流
除了鉗位電壓和封裝尺寸之外，當(dāng)考慮用于現(xiàn)場發(fā)送器應(yīng)用的TVS二極管時，泄漏電流也是另一個挑戰(zhàn)。在工作電壓下，當(dāng)二極管未在其擊穿區(qū)域工作時，一些電流將流過二極管并可能影響系統(tǒng)精度。數(shù)據(jù)線上的漏電流會對信號完整性產(chǎn)生負(fù)面影響; 因此，較低的泄漏可實現(xiàn)更高精度的4-20mA電流環(huán)測量，并且是防止4-20mA環(huán)路接口偏移的必要條件。
TI的新型精密浪涌保護(hù)鉗可以幫助解決我在本文中描述的所有三種浪涌保護(hù)挑戰(zhàn)。與市場上的傳統(tǒng)SMA和SMB TVS二極管相比，TVS3300可提供高達(dá)30％的更低和更平坦的鉗位電壓，94％更小的占位面積和58％更低的漏電流。
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