如何保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)變送器免受浪涌瞬變的影響

1.前言

如果我們是現(xiàn)場(chǎng)變送器的設(shè)計(jì)人員，我們可能會(huì)考慮安裝系統(tǒng)的物理環(huán)境。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的傳感器應(yīng)用需要強(qiáng)大的保護(hù)方案，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)遇到由閃電、接地回路、靜電放電 (ESD) 和電快速瞬變 (EFT) 爆發(fā)產(chǎn)生的破壞性浪涌。這些高浪涌事件可能會(huì)導(dǎo)致電纜上的感應(yīng)電壓，從而導(dǎo)致從未設(shè)計(jì)用于處理它們的電路上出現(xiàn)大的電壓尖峰。

浪涌也叫突波，顧名思義就是超出正常工作電壓的瞬間過(guò)電壓。本質(zhì)上講，浪涌是發(fā)生在僅僅幾百萬(wàn)分之一秒時(shí)間內(nèi)的一種劇烈脈沖?？赡芤鹄擞康脑蛴校褐匦驮O(shè)備、短路、電源切換或大型發(fā)動(dòng)機(jī)。而含有浪涌阻絕裝置的產(chǎn)品可以有效地吸收突發(fā)的巨大能量，以保護(hù)連接設(shè)備免于受損。選擇合適的浪涌抑制設(shè)備就非常重要。

在這篇文章中，我將討論為現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射器的 ESD 和浪涌保護(hù)選擇瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管時(shí)面臨的主要挑戰(zhàn)。

在工廠自動(dòng)化和過(guò)程控制中，現(xiàn)場(chǎng)變送器根據(jù)傳感器的輸入信號(hào)測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)，例如溫度、壓力和流量。然后將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為精確的電氣表示，該表示可通過(guò)強(qiáng)大的接口/現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)娇删幊踢壿嬁刂破?(PLC) 或中央單元。現(xiàn)場(chǎng)變送器的一些最常見(jiàn)的通信協(xié)議是工廠自動(dòng)化中的IO-LinkI和過(guò)程自動(dòng)化中的4-20mA/公路可尋址遠(yuǎn)程變送器 ( HART ) 回路接口。圖 1 顯示了溫度變送器的高級(jí)框圖，包括信號(hào)輸入/輸出 (I/O) 保護(hù)。

圖 1：溫度變送器框圖

與所有具有外露接口的系統(tǒng)一樣，我們的系統(tǒng)必須具有國(guó)際電工委員會(huì) (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)是電流更高、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的最嚴(yán)苛的瞬態(tài)抗擾測(cè)試，其應(yīng)用往往僅限于長(zhǎng)信號(hào)線和電源線。

2.鉗位電壓

在現(xiàn)場(chǎng)變送器應(yīng)用中，有多個(gè)下游組件需要保護(hù)，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。不幸的是，集成電路 (IC) 數(shù)據(jù)表通常不提供瞬態(tài)電壓抗擾度額定值，這使得選擇正確的解決方案來(lái)穩(wěn)健地保護(hù)我們的系統(tǒng)變得更加困難。

鉗位電壓是當(dāng) TVS 二極管提供保護(hù)時(shí)我們的系統(tǒng)需要承受的最低電壓電平。換句話說(shuō)，它衡量我們的保護(hù)解決方案對(duì)瞬態(tài)電壓的鉗制能力。鉗位電壓越低，保護(hù)越好，下游組件的保護(hù)余量就越大。典型的 TVS 二極管鉗位在過(guò)高的電壓上而無(wú)法保護(hù)我們的系統(tǒng)，需要選擇具有更高電壓容限額定值的下游系統(tǒng)組件，從而增加系統(tǒng)成本和電路板面積。因此，建議選擇具有低且平坦的鉗位電壓技術(shù)的 TVS 解決方案，以穩(wěn)健地保護(hù)我們的系統(tǒng)。

3.包裝尺寸

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)變送器的典型要求是在 IEC 61000-4-5 浪涌抗擾度測(cè)試期間使用 42Ω 耦合網(wǎng)絡(luò)在 1kV 下測(cè)試（并承受）25A (8/20μs)。具有如此高的額定功率，TVS 二極管必須能夠消散高壓瞬變并將其轉(zhuǎn)移到地面；因此，我們需要采用能夠處理高功耗的大解決方案尺寸，從而增加電路板空間和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

以下圖的方案（圖 2）為例，其中很大一部分電路板空間被用于信號(hào) I/O 保護(hù)的傳統(tǒng) TVS 二極管占據(jù)，這在 SMA 行業(yè)中占用了 12.5mm 2的電路板空間標(biāo)準(zhǔn)封裝和高達(dá) 19.1mm 2的 SMB 封裝。采用小尺寸 TVS 解決方案可節(jié)省電路板空間并允許更靠近連接器放置，以將 EMI 保持在電路板區(qū)域之外。

圖 2：傳感器發(fā)射器參考設(shè)計(jì)板

4.漏電流

除了鉗位電壓和封裝尺寸外，在考慮將 TVS 二極管用于現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射器應(yīng)用時(shí)，漏電流構(gòu)成了另一個(gè)挑戰(zhàn)。在工作電壓下，當(dāng)二極管不在其擊穿區(qū)工作時(shí)，一些電流會(huì)流過(guò)二極管并影響系統(tǒng)精度。數(shù)據(jù)線上的漏電流會(huì)對(duì)信號(hào)完整性產(chǎn)生負(fù)面影響；因此，較低的泄漏可實(shí)現(xiàn)更高精度的 4-20mA 電流環(huán)路測(cè)量，并且對(duì)于防止 4-20mA 環(huán)路接口上的偏移是必要的。

TI 的新型精密浪涌保護(hù)鉗位可以幫助解決我在本文中描述的所有三個(gè)浪涌保護(hù)挑戰(zhàn)。與市場(chǎng)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% 的占位面積和 58% 的漏電流。