保護現場變送器免受浪涌瞬變的影響

發布時間：2019-03-26 發布作者：

如果您是從事現場發射器的設計人員，您可能正在考慮安裝系統的物理環境。工業傳感器應用需要強大的保護方案，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）突發產生的破壞性浪涌。這些高浪涌事件可能會導致電纜感應電壓，從而導致大電壓尖峰出現在從未設計用于處理它們的電路上。

在這篇文章中，我將討論選擇瞬態電壓抑制（TVS）二極管用于現場發射器的ESD和浪涌保護的主要挑戰。

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，如溫度，壓力和流量。然后，它將測量轉換為精確的電氣表示，可通過魯棒的接口/現場總線傳輸到可編程邏輯控制器（PLC）或中央單元。一些較常見的現場變送器通信協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。

與所有帶外部接口的系統一樣，您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浪涌標準是在更高電流和更長持續時間方面較嚴格的瞬態抗擾度測試，其應用通常僅限于長信號和電源線。

鉗位電壓

在現場變送器應用中，有幾個需要保護的下游組件，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。遺憾的是，集成電路（IC）數據手冊通常不提供瞬態電壓抗擾度，這使得選擇正確的解決方案以更加強大地保護系統變得更加困難。

鉗位電壓是TVS二極管提供保護時系統所需的較低電壓電平。換句話說，它可以衡量保護解決方案對瞬態電壓的抑制程度。鉗位電壓越低，保護越好，下游元件的保護余量就越大。典型的TVS二極管鉗位電壓過高而無法保護您的系統，因此需要選擇具有更高耐壓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，建議選擇具有低鉗位和扁平鉗位電壓技術的TVS解決方案，以便有力地保護您的系統。

包裝尺寸

工業現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耦合網絡。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計復雜性。

采取例如IO-Link的傳感器變送器參考設計（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，這占用12.5毫米傳統TVS二極管占用2的電路板空間SMA業標準封裝和SMB封裝高達19.1mm 2。采用小尺寸TVS解決方案可節省電路板空間，并允許更緊密地放置在連接器上，以便將EMI保持在電路板區域之外。

漏電流

除了鉗位電壓和封裝尺寸之外，當考慮用于現場發送器應用的TVS二極管時，泄漏電流也是另一個挑戰。在工作電壓下，當二極管未在其擊穿區域工作時，一些電流將流過二極管并可能影響系統精度。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電流環測量，并且是防止4-20mA環路接口偏移的必要條件。

TI的新型精密浪涌保護鉗可以幫助解決我在本文中描述的所有三種浪涌保護挑戰。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％更小的占位面積和58％更低的漏電流。

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