1 TI 技術(shù)手冊(cè)

I/O 模塊

在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中，系統(tǒng)架構(gòu)包含一個(gè)中央 PLC，用于控制遍布周圍環(huán)境的外設(shè)（例如傳感器、螺線管和閥）并與它們進(jìn)行通信。PLC 通過 PLC 模塊內(nèi)集中分布的數(shù)字信號(hào)輸出（稱為“I/O 模塊”）與這些外設(shè)進(jìn)行通信，因此，確保 I/O 模塊的可靠性對(duì)于維持安全高效的工業(yè)環(huán)境至關(guān)重要。

I/O 模塊上的浪涌設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

• 輸出與輸入保護(hù)（低阻抗與高阻抗）
• 設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)鉗位電壓隨溫度和器件變化的注意事項(xiàng)

什么是浪涌？

浪涌是一種瞬態(tài)事件，當(dāng)大型能量源耦合到電氣系統(tǒng)上時(shí)，會(huì)引起較大的電流和電壓尖峰，這時(shí)便會(huì)發(fā)生所謂的浪涌。該事件在 IEC61000-4-5 中定義為上升時(shí)間為 8μs 、 半峰值時(shí)間為 20μs 的一次短路電流脈沖。浪涌電流的大小隨設(shè)備所處的環(huán)境以及耦合到線路上的能量源而變化。在使用 I/O 模塊的工業(yè)應(yīng)用中，即使該模塊不直接接觸遭受雷擊的位置，也會(huì)引發(fā)電涌事件。有關(guān)浪涌起因的更多信息，請(qǐng)查看《揭秘浪涌保護(hù)》。

I/O 模塊中需要保護(hù)什么？

輸入/輸出模塊有各種各樣與其線路靠近的電路。例如，模擬輸入模塊信號(hào)通常會(huì)輸入到比較器中，有時(shí)具有會(huì)限制電流的串聯(lián)電阻，在浪涌事件發(fā)生期間，這些電阻器將耗散大量熱量，因此阻值更大。另一個(gè)類似的例子是模擬輸出模塊。這些輸出端有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的浪涌瞬變，使電阻較小的輸出端受損，尤其是內(nèi)部的小型 ESD 單元。

圖 1-1 模擬輸出模塊組件

數(shù)字輸出模塊的輸出端通常具有非常低的阻抗，因此需要浪涌保護(hù)。數(shù)字輸出模塊可包含供電模塊，例如低 R_ON 開關(guān)，這些開關(guān)可以導(dǎo)通和關(guān)斷相對(duì)較高的電流。正因?yàn)橛辛诉@些低阻抗輸出（通常是 MOSFET 的源極），當(dāng)發(fā)生浪涌事件時(shí)，電流很容易通過器件，并且會(huì)破壞任何連接的元件。在下圖中，淺紅色框顯示了在浪涌事件期間有可能損壞的元件。

圖 1-2 數(shù)字輸出模塊元件

TI 的平緩鉗位

這些模塊需要保護(hù)，那么 TI 的平緩鉗位器件可以提供哪些保護(hù)呢？TI 的平緩鉗位器件系列在鉗位電壓、超低泄漏和封裝尺寸方面具有優(yōu)勢(shì)。

許多 I/O 模塊都具有接近工作電壓的絕對(duì)最大額定電壓。例如，ADS8689 的輸入電壓范圍為 ±12V，絕對(duì)最大電壓為 ±20V。如果使用 TI 的平緩鉗位 TVS1401，在需要消耗 25A 電流的典型 1kV 浪涌事件期間，鉗位電壓將會(huì)是 19.4V。這對(duì)于確保輸入/輸出模塊的可靠性至關(guān)重要。整個(gè)平緩鉗位系列都是如此，因?yàn)樵撓盗械乃衅骷季哂谐偷你Q位電壓（相對(duì)于其擊穿電壓），因而可以在任何電壓范圍內(nèi)保護(hù)敏感設(shè)備。

圖 1-3 TVS3300 與傳統(tǒng) TVS 的浪涌波形

在模擬模塊（輸入或輸出）中，泄漏非常重要。這些模塊會(huì)測量某個(gè)引腳上的電壓，該引腳上的任何泄漏會(huì)使引腳電壓讀數(shù)與實(shí)際值不同。TI 的平緩鉗位器件（例如，模擬輸入引腳上的 TVS0500）的漏電流為 0.07nA，而典型 SMA TVS 二極管的漏電流最大值為 1 至 10μA。相差高達(dá) 6 個(gè)數(shù)量級(jí)。

許多 I/O 模塊對(duì)電路板的尺寸都有非常嚴(yán)格的限制，因此，使每個(gè)元件的尺寸都盡可能小則大有裨益。使用 TI 的平緩鉗位技術(shù)，電路板設(shè)計(jì)人員可以將 TVS 器件的面積減少 70% 以上。下文所示為 DBV 和 DRB 封裝與業(yè)界通用 SMA 和 SMB 封裝的比較情況。采用這些小型封裝可以將器件放置在更靠近連接器的位置。這意味著浪涌脈沖將立即在電路板上分流，不會(huì)穿過 PCB 布線而影響到脈沖本身。

圖 1-4 平緩鉗位封裝尺寸比較

總之，包含 I/O 模塊的環(huán)境很容易受到這些浪涌的影響，如果不進(jìn)行適當(dāng)處理，則會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害。TI 的平緩鉗位器件系列有助于保護(hù)大多數(shù)不同的模擬或數(shù)字輸入和輸出模塊免受浪涌事件的影響。