如何為IO-Link器件選擇TVS二極管

雖然IO-Link收發(fā)器的設(shè)計(jì)越來越具有魯棒性，但通常還需要外部保護(hù)來保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)免受電壓或電流浪涌等瞬態(tài)事件的影響。本應(yīng)用筆記介紹了在主站和傳感器參考設(shè)計(jì)中選擇與Maxim的IO-Link收發(fā)器配合使用的TVS二極管的指南。?

介紹

工業(yè)環(huán)境對集成電路 （IC） 的工作條件非?？量?。雖然IO-Link收發(fā)器的設(shè)計(jì)越來越堅(jiān)固，但通常還需要外部保護(hù)來保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)免受外部產(chǎn)生的破壞性條件的影響，例如由雷擊等事件引起的電壓浪涌或由能量放電引起的電弧引起的靜電放電（ESD）事件。

IO-Link 標(biāo)準(zhǔn) （IEC 61131-9） 越來越多地用于工業(yè)系統(tǒng)中，用于與智能傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行通信。該標(biāo)準(zhǔn)包括要求系統(tǒng)通過一定級別的EMC抗擾度測試，包括靜電放電（IEC 61000-4-2）和電氣快速瞬變/突發(fā)（IEC 61000-4-4）。雖然 IO-Link 標(biāo)準(zhǔn)不要求進(jìn)行浪涌 （IEC 61000-4-5） 測試，但用戶通常要求進(jìn)行。本應(yīng)用筆記回顧了瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管（工業(yè)系統(tǒng)中最常用的保護(hù)器件之一）的特性，并介紹了選擇與Maxim的IO-Link收發(fā)器配合使用的TVS二極管的指南。

保護(hù)系統(tǒng)免受電氣瞬變的影響

當(dāng)ESD或浪涌脈沖等高壓瞬態(tài)事件到達(dá)PCB上的器件時(shí)，必須存在某種形式的系統(tǒng)保護(hù)，以避免超過敏感IC絕對最大值（abs max）額定值的過壓尖峰損壞。根據(jù)系統(tǒng)的不同，可能需要對電源和/或接口線路進(jìn)行保護(hù)，就像 IO-Link 一樣。因此，電路上的任何保護(hù)器件都必須在正常情況下空閑，允許數(shù)據(jù)無差錯(cuò)地通過線路，但必須在發(fā)生瞬態(tài)事件時(shí)工作。用于此類用途的常見器件是TVS二極管，它由一系列供應(yīng)商生產(chǎn)，并提供多種配置，適用于不同的電壓、功率和外形尺寸。

TVS 二極管術(shù)語

圖1中的特性曲線顯示了TVS二極管的關(guān)鍵參數(shù)。

反向關(guān)斷電壓 （V.RM)

也稱為最大工作峰值電壓，這是器件的正常工作閾值電壓。當(dāng)二極管兩端施加的電壓小于此閾值時(shí)，TVS二極管將顯示為受保護(hù)電路的高阻抗。

反向擊穿電壓 （VBR)

也稱為擊穿電壓，這是TVS二極管開始傳導(dǎo)指定電流的電壓閾值。電壓 VBR不應(yīng)超過其所保護(hù)的 IC 的 ABS 最大額定值。

鉗位電壓 （VCL)

過壓瞬變被削波到V定義的電平CL，這是受保護(hù)電路上看到的最大電壓電平。電壓 VCL始終針對給定的峰值脈沖電流（I聚丙烯).

峰值脈沖電流 （I聚丙烯)

這是TVS二極管在不損壞的情況下可以承受的最大浪涌電流。峰值脈沖電流基于浪涌電流瞬態(tài)波形定義，在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中，浪涌電流瞬態(tài)波形的額定值為8/20μs，8μs表示上升時(shí)間（t1）至峰值，20μs表示脈沖持續(xù)時(shí)間，直到電流降至峰值的50%（t2），如圖 2 所示。

圖1.單向TVS二極管IV特性曲線

圖2.浪涌電流波形的定義，I聚丙烯.

TVS二極管選擇指南

TVS二極管供應(yīng)商在其數(shù)據(jù)手冊中包括通用選擇指南，但要考慮的最重要的項(xiàng)目是要保護(hù)的電路的電氣特性以及電路需要滿足的測試方法/標(biāo)準(zhǔn)。最常引用的標(biāo)準(zhǔn)是IEC 61000-4-5。明確規(guī)定了測試標(biāo)準(zhǔn)，包括電壓電平、電流電平以及如何將瞬態(tài)應(yīng)用于設(shè)備或系統(tǒng)。對于 IO-Link 傳感器，這通常是 ±1kV/500？，對于 IO-Link 主站，它為 ±1kV，42？+ 0.5μF 耦合網(wǎng)絡(luò)。

要選擇 TVS 二極管，請執(zhí)行以下步驟：

選擇關(guān)斷電壓高于正常工作電壓的二極管。確保TVS二極管最大鉗位電壓小于要保護(hù)的線路上所有器件的abs最大額定值。在瞬態(tài)事件（例如，較高的導(dǎo)通電流將導(dǎo)致較高的鉗位電壓）和正常工作期間不存在瞬態(tài)事件時(shí)，考慮工作非常重要。

驗(yàn)證指定的峰值電流是否超過預(yù)期的峰值電流。確保指定二極管以在瞬態(tài)事件期間處理所需的功率。太小或不是為給定電流設(shè)計(jì)的二極管可能會發(fā)生故障，并導(dǎo)致電路在浪涌或 EFT 事件期間被破壞。

計(jì)算最大鉗位電壓（VCL） 的選定二極管。TVS二極管數(shù)據(jù)手冊通常列出VCL對于零件選擇表中的給定 IPP。然而，對于其他峰值脈沖電流，此VCL可能無效。為了適應(yīng)其他IPP值，TVS二極管制造商在數(shù)據(jù)手冊中給出了一個(gè)公式來計(jì)算VCL.使用此公式計(jì)算 VCL對于給定的 I聚丙烯.

確認(rèn)計(jì)算出的 VCL小于引腳指定的 ABS 最大額定值。

IO-鏈路保護(hù)

IO-Link 器件（傳感器收發(fā)器或主收發(fā)器）有 4 個(gè)引腳（L+、C/Q、L 和 DI/DO），需要保護(hù)。例如，在測試?yán)擞勘Ｗo(hù)時(shí)，這些引腳需要承受任何2個(gè)引腳之間的浪涌脈沖，同時(shí)出現(xiàn)負(fù)極性和正極性浪涌。了解這些引腳的絕對最大值額定值對TVS二極管選擇的影響非常重要。以下示例表明，Maxim IO-Link收發(fā)器的abs最大值更高，因此可以使用明顯更小的TVS產(chǎn)品，從而節(jié)省電路板空間和成本。

最大 65V 絕對值如何幫助提供保護(hù)（相對于 40V）

讓我們考慮一個(gè)測試用例，看看abs最大額定值如何影響電路的最終尺寸。圖3所示為MAX14827A上的C/Q引腳（以L-為基準(zhǔn)）施加瞬態(tài)浪涌脈沖時(shí)，保護(hù)方案中的電流和電壓。使用浪涌脈沖（±1kV）和器件之間的標(biāo)準(zhǔn)42Ω阻抗，最大電流為±24A。

圖3.C/Q 到 L- 浪涌。

SMAJ TVS 二極管 （2.9mm x 5.25mm）

按照TVS二極管選擇步驟，我們得到以下內(nèi)容：

關(guān)斷電壓必須大于正常工作電壓，因此假設(shè)L+ = 24V，并在正常工作條件下允許20%的容差，則最大正常工作電壓為24V x 1.2 = 28.8V。為確保合理的保護(hù)措施，請選擇帶V的TVS二極管.RM= 33V，如意法半導(dǎo)體SMAJ33A。?

SMAJ33A 的峰值電流為 33A > 24A，因此 SMAJ33A 可以處理所需的電流（根據(jù) TVS 二極管數(shù)據(jù)手冊聚丙烯8/20μs 脈沖波形的額定值）。

使用TVS二極管數(shù)據(jù)手冊中的公式計(jì)算VCL.

請參閱表 1 中 SMAJ33A 的規(guī)格。

V氯（最大）= VCL- RD×（I聚丙烯， h噗)
= 69.7V - 0.884？x （33A - 24A）
= 61.7V

確認(rèn) VCL<設(shè)備最大ABS

MAX14827A的絕對最大值= 65V，因此該IC可以承受1kV浪涌。

最大 abs < 65V 的收發(fā)器將無法生存。

SMBJ TVS 二極管 （3.95mm x 5.6mm）

使用SMBJ33A的數(shù)據(jù)手冊和表1，我們遵循相同的步驟：

關(guān)斷電壓 （33V） >正常工作電壓 （24V）。

峰值電流 （57A） > 24A，因此 SMBJ33A 可以處理所需的電流。

V氯（最大）= VCL- RDx （I聚丙烯， h噗)
= 69.7V - 0.512？x （57A - 24A）
= 52.8V

確認(rèn) VCL<設(shè)備最大ABS

SMCJ TVS 二極管 （6.25mm x 8.15mm）

使用 SMCJ33A 的數(shù)據(jù)表和表 1，我們遵循相同的步驟：

關(guān)斷電壓 （33V） >正常工作電壓 （24V）。

峰值電流 （143A） > 24A，因此 SMCJ33A 可以處理所需的電流。

VCLMAX= VCL- RDx （I聚丙烯， h噗) = 69.7V - 0.204？x （143A - 24A） = 45.4V

確認(rèn) VCL<設(shè)備最大ABS

65V 絕對最大值保護(hù)的優(yōu)勢

MAX14827A和MAX14828的絕對電壓最大值為65V，允許在浪涌條件下靈活保護(hù)IO-Link引腳。雖然競爭器件需要更大、更昂貴的TVS，但這些高絕對最大值Maxim IC只需要小型、低成本的TVS/壓敏電阻，如下所示：

最小的TVS二極管/標(biāo)準(zhǔn)浪涌（±1kV/2A）：Semtech μClamp3603T;印刷電路板面積 = 1.7mm??2

成本最低的TVS二極管/標(biāo)準(zhǔn)浪涌（±1kV/2A）：AVX VC060330A650DP壓敏電阻;成本是常規(guī)TVS二極管的~50%

高電平浪涌（±1kV/24A）：SMAJ33 TVS二極管（與競爭對手SMCJ33 TVS二極管相比）;印刷電路板面積縮小 5 倍

在IO-Link參考設(shè)計(jì)中使用Maxim IC時(shí)的保護(hù)示例

MAX14828用于MAXREFDES164#傳感器應(yīng)用

MAXREFDES164#是一款溫度傳感器，使用MAX14828作為IO-Link收發(fā)器。這種設(shè)計(jì)需要很小的尺寸，并使用AVX TransGuard壓敏電阻進(jìn)行保護(hù)，特別是VC060330A650DP，其工作電壓為30V，鉗位電壓為67V，并支持30A的峰值電流。由于MAX14828具有較高的絕對最大值（65V）額定值，因此設(shè)計(jì)可以使用這些尺寸僅為1.6mm長x 0.8mm寬的微型壓敏電阻（標(biāo)準(zhǔn)0603封裝），有助于實(shí)現(xiàn)小尺寸，如圖4所示。該板已經(jīng)過測試，可通過高達(dá) ±1.2kV/500 的電壓？在不同的 IO-Link 引腳對之間。??

圖4.MAXREFDES164#采用MAX14828。

MAX22513在MAXREFDES171#傳感器應(yīng)用中集成浪涌保護(hù)

MAX22513為IO-Link收發(fā)器，集成浪涌保護(hù)，額定值為±1kV/500？，為智能傳感器提供最小尺寸的方案。MAXREFDES171#（如圖5所示）是基于MAX22513的距離傳感器。

該板已經(jīng)過測試，可通過高達(dá) ±1.2kV/500 的電壓？在不同 IO-Link 引腳對之間，無需外部壓敏電阻或 TVS。外部TVS二極管可用于需要更高保護(hù)級別的系統(tǒng)。

圖5.MAXREFDES171#采用MAX22513。

MAX14819和MAXREFDES165# IO-Link主控

MAXREFDES165#是基于MAX14819 IO-Link主收發(fā)器的4端口IO-Link主站，如圖6所示。該設(shè)計(jì)使用 SMM4F33A TVS 二極管。SMM4FxxA的最大鉗位電壓為56.4V，小于MAX14819的65V絕對最大額定值。

該板已經(jīng)過測試，可通過高達(dá) ±1.2kV/42？在不同的 IO-Link 引腳對之間。

圖6.MAXREFDES165#采用MAX14819。

結(jié)論

電路中包括TVS二極管以保護(hù)敏感設(shè)備。在正常工作期間，TVS二極管必須對電路性能沒有顯著影響。但是，當(dāng)發(fā)生高壓瞬變時(shí)，TVS二極管必須激活并限制電路兩端的電壓。較大的瞬態(tài)事件（如高電壓和電流脈沖）通常需要大二極管才能獲得令人滿意的保護(hù)。Maxim提供最可靠的IO-Link收發(fā)器，具有高電壓容差和高達(dá)65V的絕對最大值額定值，在選擇TVS保護(hù)二極管時(shí)具有更大的靈活性。此外，MAX22513等器件集成了浪涌保護(hù)功能，在許多應(yīng)用中無需外部TVS器件。

審核編輯：郭婷