1.前言
如果我們是現(xiàn)場變送器的設(shè)計人員，我們可能會考慮安裝系統(tǒng)的物理環(huán)境。工業(yè)現(xiàn)場使用的傳感器應(yīng)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(fā)產(chǎn)生的破壞性浪涌。這些高浪涌事件可能會導(dǎo)致電纜上的感應(yīng)電壓，從而導(dǎo)致從未設(shè)計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電壓。本質(zhì)上講，浪涌是發(fā)生在僅僅幾百萬分之一秒時間內(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)動機。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)場發(fā)射器的 ESD 和浪涌保護選擇瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管時面臨的主要挑戰(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)，例如溫度、壓力和流量。然后將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為精確的電氣表示，該表示可通過強大的接口/現(xiàn)場總線傳輸?shù)娇删幊踢壿嬁刂破?(PLC) 或中央單元。現(xiàn)場變送器的一些最常見的通信協(xié)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(yuǎn)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(tǒng)一樣，我們的系統(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。IEC 61000-4-5 浪涌標(biāo)準(zhǔn)是電流更高、持續(xù)時間更長的最嚴(yán)苛的瞬態(tài)抗擾測試，其應(yīng)用往往僅限于長信號線和電源線。
2.鉗位電壓
在現(xiàn)場變送器應(yīng)用中，有多個下游組件需要保護，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穩(wěn)健地保護我們的系統(tǒng)變得更加困難。
鉗位電壓是當(dāng) TVS 二極管提供保護時我們的系統(tǒng)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(tài)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(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)健地保護我們的系統(tǒng)。
3.包裝尺寸
工業(yè)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(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 I/O 保護的傳統(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)場發(fā)射器應(yīng)用時，漏電流構(gòu)成了另一個挑戰(zhàn)。在工作電壓下，當(dāng)二極管不在其擊穿區(qū)工作時，一些電流會流過二極管并影響系統(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)路測量，并且對于防止 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(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% 的占位面積和 58% 的漏電流。
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