如何保护现场变送器免受浪涌瞬变的影响

1.前言

如果我们是现场变送器的设计人员，我们可能会考虑安装系统的物理环境。工业现场使用的传感器应用需要强大的保护方案，因为它们可能会遇到由闪电、接地回路、静电放电 (ESD) 和电快速瞬变 (EFT) 爆发产生的破坏性浪涌。这些高浪涌事件可能会导致电缆上的感应电压，从而导致从未设计用于处理它们的电路上出现大的电压尖峰。

浪涌也叫突波，顾名思义就是超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。可能引起浪涌的原因有：重型设备、短路、电源切换或大型发动机。而含有浪涌阻绝装置的产品可以有效地吸收突发的巨大能量，以保护连接设备免于受损。选择合适的浪涌抑制设备就非常重要。

在这篇文章中，我将讨论为现场发射器的 ESD 和浪涌保护选择瞬态电压抑制 (TVS) 二极管时面临的主要挑战。

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，例如温度、压力和流量。然后将测量结果转换为精确的电气表示，该表示可通过强大的接口/现场总线传输到可编程逻辑控制器 (PLC) 或中央单元。现场变送器的一些最常见的通信协议是工厂自动化中的IO-LinkI和过程自动化中的4-20mA/公路可寻址远程变送器 ( 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。

图 1：温度变送器框图

与所有具有外露接口的系统一样，我们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 浪涌标准是电流更高、持续时间更长的最严苛的瞬态抗扰测试，其应用往往仅限于长信号线和电源线。

2.钳位电压

在现场变送器应用中，有多个下游组件需要保护，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。不幸的是，集成电路 (IC) 数据表通常不提供瞬态电压抗扰度额定值，这使得选择正确的解决方案来稳健地保护我们的系统变得更加困难。

钳位电压是当 TVS 二极管提供保护时我们的系统需要承受的最低电压电平。换句话说，它衡量我们的保护解决方案对瞬态电压的钳制能力。钳位电压越低，保护越好，下游组件的保护余量就越大。典型的 TVS 二极管钳位在过高的电压上而无法保护我们的系统，需要选择具有更高电压容限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，建议选择具有低且平坦的钳位电压技术的 TVS 解决方案，以稳健地保护我们的系统。

3.包装尺寸

工业现场变送器的典型要求是在 IEC 61000-4-5 浪涌抗扰度测试期间使用 42Ω 耦合网络在 1kV 下测试（并承受）25A (8/20µs)。具有如此高的额定功率，TVS 二极管必须能够消散高压瞬变并将其转移到地面；因此，我们需要采用能够处理高功耗的大解决方案尺寸，从而增加电路板空间和设计复杂性。

以下图的方案（图 2）为例，其中很大一部分电路板空间被用于信号 I/O 保护的传统 TVS 二极管占据，这在 SMA 行业中占用了 12.5mm 2的电路板空间标准封装和高达 19.1mm 2的 SMB 封装。采用小尺寸 TVS 解决方案可节省电路板空间并允许更靠近连接器放置，以将 EMI 保持在电路板区域之外。

图 2：传感器发射器参考设计板

4.漏电流

除了钳位电压和封装尺寸外，在考虑将 TVS 二极管用于现场发射器应用时，漏电流构成了另一个挑战。在工作电压下，当二极管不在其击穿区工作时，一些电流会流过二极管并影响系统精度。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 电流环路测量，并且对于防止 4-20mA 环路接口上的偏移是必要的。

TI 的新型精密浪涌保护钳位可以帮助解决我在本文中描述的所有三个浪涌保护挑战。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% 的占位面积和 58% 的漏电流。