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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)。
溫度變送器框圖
     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。
傳感器發(fā)送器參考設(shè)計板
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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