發布日期：2022-04-20 點擊率：56
1.前言
如果我們是現場變送器的設計人員，我們可能會考慮安裝系統的物理環境。工業現場使用的傳感器應用需要強大的保護方案，因為它們可能會遇到由閃電、接地回路、靜電放電 (ESD) 和電快速瞬變 (EFT) 爆發產生的破壞性浪涌。這些高浪涌事件可能會導致電纜上的感應電壓，從而導致從未設計用于處理它們的電路上出現大的電壓尖峰。
浪涌也叫突波，顧名思義就是超出正常工作電壓的瞬間過電壓。本質上講，浪涌是發生在僅僅幾百萬分之一秒時間內的一種劇烈脈沖。可能引起浪涌的原因有：重型設備、短路、電源切換或大型發動機。而含有浪涌阻絕裝置的產品可以有效地吸收突發的巨大能量，以保護連接設備免于受損。選擇合適的浪涌抑制設備就非常重要。
在這篇文章中，我將討論為現場發射器的 ESD 和浪涌保護選擇瞬態電壓抑制 (TVS) 二極管時面臨的主要挑戰。
在工廠自動化和過程控制中，現場變送器根據傳感器的輸入信號測量關鍵參數，例如溫度、壓力和流量。然后將測量結果轉換為精確的電氣表示，該表示可通過強大的接口/現場總線傳輸到可編程邏輯控制器 (PLC) 或中央單元。現場變送器的一些最常見的通信協議是工廠自動化中的IO-linkI和過程自動化中的4-20mA/公路可尋址遠程變送器 ( 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。
圖 1：溫度變送器框圖
與所有具有外露接口的系統一樣，我們的系統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。IEC 61000-4-5 浪涌標準是電流更高、持續時間更長的最嚴苛的瞬態抗擾測試，其應用往往僅限于長信號線和電源線。
2.鉗位電壓
在現場變送器應用中，有多個下游組件需要保護，包括多路復用器、模數轉換器 (ADC)、4-20mA 收發器和低壓差 (LDO) 穩壓器。不幸的是，集成電路 (IC) 數據表通常不提供瞬態電壓抗擾度額定值，這使得選擇正確的解決方案來穩健地保護我們的系統變得更加困難。
鉗位電壓是當 TVS 二極管提供保護時我們的系統需要承受的最低電壓電平。換句話說，它衡量我們的保護解決方案對瞬態電壓的鉗制能力。鉗位電壓越低，保護越好，下游組件的保護余量就越大。典型的 TVS 二極管鉗位在過高的電壓上而無法保護我們的系統，需要選擇具有更高電壓容限額定值的下游系統組件，從而增加系統成本和電路板面積。因此，建議選擇具有低且平坦的鉗位電壓技術的 TVS 解決方案，以穩健地保護我們的系統。
3.包裝尺寸
工業現場變送器的典型要求是在 IEC 61000-4-5 浪涌抗擾度測試期間使用 42Ω 耦合網絡在 1kV 下測試（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計復雜性。
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 I/O 保護的傳統 TVS 二極管占據，這在 SMA 行業中占用了 12.5mm 2的電路板空間標準封裝和高達 19.1mm 2的 SMB 封裝。采用小尺寸 TVS 解決方案可節省電路板空間并允許更靠近連接器放置，以將 EMI 保持在電路板區域之外。
圖 2：傳感器發射器參考設計板
4.漏電流
除了鉗位電壓和封裝尺寸外，在考慮將 TVS 二極管用于現場發射器應用時，漏電流構成了另一個挑戰。在工作電壓下，當二極管不在其擊穿區工作時，一些電流會流過二極管并影響系統精度。數據線上的漏電流會對信號完整性產生負面影響；因此，較低的泄漏可實現更高精度的 4-20mA 電流環路測量，并且對于防止 4-20mA 環路接口上的偏移是必要的。
TI 的新型精密浪涌保護鉗位可以幫助解決我在本文中描述的所有三個浪涌保護挑戰。與市場上的傳統 SMA 和 SMB TVS 二極管相比，TVS3300可提供高達 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。
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