如何为IO-Link器件选择TVS二极管

虽然IO-Link收发器的设计越来越具有鲁棒性，但通常还需要外部保护来保护设备和系统免受电压或电流浪涌等瞬态事件的影响。本应用笔记介绍了在主站和传感器参考设计中选择与Maxim的IO-Link收发器配合使用的TVS二极管的指南。®

介绍

工业环境对集成电路 （IC） 的工作条件非常苛刻。虽然IO-Link收发器的设计越来越坚固，但通常还需要外部保护来保护设备和系统免受外部产生的破坏性条件的影响，例如由雷击等事件引起的电压浪涌或由能量放电引起的电弧引起的静电放电（ESD）事件。

IO-Link 标准 （IEC 61131-9） 越来越多地用于工业系统中，用于与智能传感器和执行器进行通信。该标准包括要求系统通过一定级别的EMC抗扰度测试，包括静电放电（IEC 61000-4-2）和电气快速瞬变/突发（IEC 61000-4-4）。虽然 IO-Link 标准不要求进行浪涌 （IEC 61000-4-5） 测试，但用户通常要求进行。本应用笔记回顾了瞬态电压抑制（TVS）二极管（工业系统中最常用的保护器件之一）的特性，并介绍了选择与Maxim的IO-Link收发器配合使用的TVS二极管的指南。

保护系统免受电气瞬变的影响

当ESD或浪涌脉冲等高压瞬态事件到达PCB上的器件时，必须存在某种形式的系统保护，以避免超过敏感IC绝对最大值（abs max）额定值的过压尖峰损坏。根据系统的不同，可能需要对电源和/或接口线路进行保护，就像 IO-Link 一样。因此，电路上的任何保护器件都必须在正常情况下空闲，允许数据无差错地通过线路，但必须在发生瞬态事件时工作。用于此类用途的常见器件是TVS二极管，它由一系列供应商生产，并提供多种配置，适用于不同的电压、功率和外形尺寸。

TVS 二极管术语

图1中的特性曲线显示了TVS二极管的关键参数。

反向关断电压 （V.RM)

也称为最大工作峰值电压，这是器件的正常工作阈值电压。当二极管两端施加的电压小于此阈值时，TVS二极管将显示为受保护电路的高阻抗。

反向击穿电压 （VBR)

也称为击穿电压，这是TVS二极管开始传导指定电流的电压阈值。电压 VBR不应超过其所保护的 IC 的 ABS 最大额定值。

钳位电压 （VCL)

过压瞬变被削波到V定义的电平CL，这是受保护电路上看到的最大电压电平。电压 VCL始终针对给定的峰值脉冲电流（I聚丙烯).

峰值脉冲电流 （I聚丙烯)

这是TVS二极管在不损坏的情况下可以承受的最大浪涌电流。峰值脉冲电流基于浪涌电流瞬态波形定义，在大多数工业应用中，浪涌电流瞬态波形的额定值为8/20μs，8μs表示上升时间（t1）至峰值，20μs表示脉冲持续时间，直到电流降至峰值的50%（t2），如图 2 所示。

图1.单向TVS二极管IV特性曲线

图2.浪涌电流波形的定义，I聚丙烯.

TVS二极管选择指南

TVS二极管供应商在其数据手册中包括通用选择指南，但要考虑的最重要的项目是要保护的电路的电气特性以及电路需要满足的测试方法/标准。最常引用的标准是IEC 61000-4-5。明确规定了测试标准，包括电压电平、电流电平以及如何将瞬态应用于设备或系统。对于 IO-Link 传感器，这通常是 ±1kV/500？，对于 IO-Link 主站，它为 ±1kV，42？+ 0.5μF 耦合网络。

要选择 TVS 二极管，请执行以下步骤：

选择关断电压高于正常工作电压的二极管。确保TVS二极管最大钳位电压小于要保护的线路上所有器件的abs最大额定值。在瞬态事件（例如，较高的导通电流将导致较高的钳位电压）和正常工作期间不存在瞬态事件时，考虑工作非常重要。

验证指定的峰值电流是否超过预期的峰值电流。确保指定二极管以在瞬态事件期间处理所需的功率。太小或不是为给定电流设计的二极管可能会发生故障，并导致电路在浪涌或 EFT 事件期间被破坏。

计算最大钳位电压（VCL） 的选定二极管。TVS二极管数据手册通常列出VCL对于零件选择表中的给定 IPP。然而，对于其他峰值脉冲电流，此VCL可能无效。为了适应其他IPP值，TVS二极管制造商在数据手册中给出了一个公式来计算VCL.使用此公式计算 VCL对于给定的 I聚丙烯.

确认计算出的 VCL小于引脚指定的 ABS 最大额定值。

IO-链路保护

IO-Link 器件（传感器收发器或主收发器）有 4 个引脚（L+、C/Q、L 和 DI/DO），需要保护。例如，在测试浪涌保护时，这些引脚需要承受任何2个引脚之间的浪涌脉冲，同时出现负极性和正极性浪涌。了解这些引脚的绝对最大值额定值对TVS二极管选择的影响非常重要。以下示例表明，Maxim IO-Link收发器的abs最大值更高，因此可以使用明显更小的TVS产品，从而节省电路板空间和成本。

最大 65V 绝对值如何帮助提供保护（相对于 40V）

让我们考虑一个测试用例，看看abs最大额定值如何影响电路的最终尺寸。图3所示为MAX14827A上的C/Q引脚（以L-为基准）施加瞬态浪涌脉冲时，保护方案中的电流和电压。使用浪涌脉冲（±1kV）和器件之间的标准42Ω阻抗，最大电流为±24A。

图3.C/Q 到 L- 浪涌。

SMAJ TVS 二极管 （2.9mm x 5.25mm）

按照TVS二极管选择步骤，我们得到以下内容：

关断电压必须大于正常工作电压，因此假设L+ = 24V，并在正常工作条件下允许20%的容差，则最大正常工作电压为24V x 1.2 = 28.8V。为确保合理的保护措施，请选择带V的TVS二极管.RM= 33V，如意法半导体SMAJ33A。®

SMAJ33A 的峰值电流为 33A > 24A，因此 SMAJ33A 可以处理所需的电流（根据 TVS 二极管数据手册聚丙烯8/20μs 脉冲波形的额定值）。

使用TVS二极管数据手册中的公式计算VCL.

请参阅表 1 中 SMAJ33A 的规格。

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

确认 VCL<设备最大ABS

MAX14827A的绝对最大值= 65V，因此该IC可以承受1kV浪涌。

最大 abs < 65V 的收发器将无法生存。

部分	我.RM.max	@ V.RM	VBR最小	@我BR	VCL.max	@我聚丙烯（8/20微秒）	RD（8/20微秒）
	微安	V	V	马	最大 V	一个	Ω
SMAJ33A	0.2	33	36.7	1	69.7	33	0.884
SMBJ33A	0.2	33	36.7	1	69.7	57	0.512
SMCJ33A	0.2	33	36.7	1	69.7	143	0.204
*TA = +25°C

SMBJ TVS 二极管 （3.95mm x 5.6mm）

使用SMBJ33A的数据手册和表1，我们遵循相同的步骤：

关断电压 （33V） >正常工作电压 （24V）。

峰值电流 （57A） > 24A，因此 SMBJ33A 可以处理所需的电流。

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

确认 VCL<设备最大ABS

SMCJ TVS 二极管 （6.25mm x 8.15mm）

使用 SMCJ33A 的数据表和表 1，我们遵循相同的步骤：

关断电压 （33V） >正常工作电压 （24V）。

峰值电流 （143A） > 24A，因此 SMCJ33A 可以处理所需的电流。

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

确认 VCL<设备最大ABS

65V 绝对最大值保护的优势

MAX14827A和MAX14828的绝对电压最大值为65V，允许在浪涌条件下灵活保护IO-Link引脚。虽然竞争器件需要更大、更昂贵的TVS，但这些高绝对最大值Maxim IC只需要小型、低成本的TVS/压敏电阻，如下所示：

最小的TVS二极管/标准浪涌（±1kV/2A）：Semtech μClamp3603T;印刷电路板面积 = 1.7mm®®2

成本最低的TVS二极管/标准浪涌（±1kV/2A）：AVX VC060330A650DP压敏电阻;成本是常规TVS二极管的~50%

高电平浪涌（±1kV/24A）：SMAJ33 TVS二极管（与竞争对手SMCJ33 TVS二极管相比）;印刷电路板面积缩小 5 倍

在IO-Link参考设计中使用Maxim IC时的保护示例

MAX14828用于MAXREFDES164#传感器应用

MAXREFDES164#是一款温度传感器，使用MAX14828作为IO-Link收发器。这种设计需要很小的尺寸，并使用AVX TransGuard压敏电阻进行保护，特别是VC060330A650DP，其工作电压为30V，钳位电压为67V，并支持30A的峰值电流。由于MAX14828具有较高的绝对最大值（65V）额定值，因此设计可以使用这些尺寸仅为1.6mm长x 0.8mm宽的微型压敏电阻（标准0603封装），有助于实现小尺寸，如图4所示。该板已经过测试，可通过高达 ±1.2kV/500 的电压？在不同的 IO-Link 引脚对之间。®®

图4.MAXREFDES164#采用MAX14828。

MAX22513在MAXREFDES171#传感器应用中集成浪涌保护

MAX22513为IO-Link收发器，集成浪涌保护，额定值为±1kV/500？，为智能传感器提供最小尺寸的方案。MAXREFDES171#（如图5所示）是基于MAX22513的距离传感器。

该板已经过测试，可通过高达 ±1.2kV/500 的电压？在不同 IO-Link 引脚对之间，无需外部压敏电阻或 TVS。外部TVS二极管可用于需要更高保护级别的系统。

图5.MAXREFDES171#采用MAX22513。

MAX14819和MAXREFDES165# IO-Link主控

MAXREFDES165#是基于MAX14819 IO-Link主收发器的4端口IO-Link主站，如图6所示。该设计使用 SMM4F33A TVS 二极管。SMM4FxxA的最大钳位电压为56.4V，小于MAX14819的65V绝对最大额定值。

该板已经过测试，可通过高达 ±1.2kV/42？在不同的 IO-Link 引脚对之间。

图6.MAXREFDES165#采用MAX14819。

结论

电路中包括TVS二极管以保护敏感设备。在正常工作期间，TVS二极管必须对电路性能没有显著影响。但是，当发生高压瞬变时，TVS二极管必须激活并限制电路两端的电压。较大的瞬态事件（如高电压和电流脉冲）通常需要大二极管才能获得令人满意的保护。Maxim提供最可靠的IO-Link收发器，具有高电压容差和高达65V的绝对最大值额定值，在选择TVS保护二极管时具有更大的灵活性。此外，MAX22513等器件集成了浪涌保护功能，在许多应用中无需外部TVS器件。

审核编辑：郭婷