保护现场变送器免受浪涌瞬变的影响
发布时间：2019-03-26 发布作者：
如果您是从事现场发射器的设计人员，您可能正在考虑安装系统的物理环境。工业传感器应用需要强大的保护方案，因为它们可能会遇到由雷电，接地回路，静电放电（ESD）和电快速瞬变（EFT）突发产生的破坏性浪涌。这些高浪涌事件可能会导致电缆感应电压，从而导致大电压尖峰出现在从未设计用于处理它们的电路上。
在这篇文章中，我将讨论选择瞬态电压抑制（TVS）二极管用于现场发射器的ESD和浪涌保护的主要挑战。
在工厂自动化和过程控制中，现场
变送器根据传感器的输入信号测量关键参数，如温度，压力和流量。然后，它将测量转换为精确的电气表示，可通过鲁棒的接口/现场总线传输到可编程逻辑控制器（PLC）或中央单元。一些较常见的现场变送器通信协议是工厂自动化中的IO-Link和过程自动化中的4-20mA /高速可寻址远程传感器（HART）回路接口。图1显示了温度变送器的高级框图，包括信号输入/输出（I / O）保护。
与所有带外部接口的系统一样，您的系统必须具有国际电工委员会（IEC）61000-4-2 ESD和IEC 61000-4-5浪涌保护。IEC 61000-4-5浪涌标准是在更高电流和更长持续时间方面较严格的瞬态抗扰度测试，其应用通常仅限于长信号和电源线。
钳位电压
在现场变送器应用中，有几个需要保护的下游组件，包括多路复用器，模数转换器（ADC），4-20mA收发器和低压差（LDO）稳压器。遗憾的是，集成电路（IC）数据手册通常不提供瞬态电压抗扰度，这使得选择正确的解决方案以更加强大地保护系统变得更加困难。
钳位电压是TVS二极管提供保护时系统所需的较低电压电平。换句话说，它可以衡量保护解决方案对瞬态电压的抑制程度。钳位电压越低，保护越好，下游元件的保护余量就越大。典型的TVS二极管钳位电压过高而无法保护您的系统，因此需要选择具有更高耐压额定值的下游系统组件，从而增加系统成本和电路板面积。因此，建议选择具有低钳位和扁平钳位电压技术的TVS解决方案，以便有力地保护您的系统。
包装尺寸
工业现场变送器的典型要求是在1kV下测试（并承受）25A（8 /20μs），在IEC 61000-4-5浪涌抗扰度测试期间使用42Ω耦合网络。如此高的额定功率，TVS二极管必须能够耗散并将高压瞬变转移到地; 因此，您需要采用可以处理高功耗的大尺寸解决方案，从而增加电路板空间和设计复杂性。
采取例如IO-Link的传感器变送器参考设计（图2），其中，所述电路板空间的大部分被用于信号的I / O的保护，这占用12.5毫米传统TVS二极管占用2的电路板空间SMA业标准封装和SMB封装高达19.1mm 2。采用小尺寸TVS解决方案可节省电路板空间，并允许更紧密地放置在连接器上，以便将EMI保持在电路板区域之外。
漏电流
除了钳位电压和封装尺寸之外，当考虑用于现场发送器应用的TVS二极管时，泄漏电流也是另一个挑战。在工作电压下，当二极管未在其击穿区域工作时，一些电流将流过二极管并可能影响系统精度。数据线上的漏电流会对信号完整性产生负面影响; 因此，较低的泄漏可实现更高精度的4-20mA电流环测量，并且是防止4-20mA环路接口偏移的必要条件。
TI的新型精密浪涌保护钳可以帮助解决我在本文中描述的所有三种浪涌保护挑战。与市场上的传统SMA和SMB TVS二极管相比，TVS3300可提供高达30％的更低和更平坦的钳位电压，94％更小的占位面积和58％更低的漏电流。
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