恶劣工业环境的设计注意事项

本文讨论了在恶劣环境中影响电路鲁棒性的因素，就像工业应用一样。涵盖的主题包括处理电压瞬变以及防止静电放电（ESD）和故障的方法。具有MAX4708系列故障保护多路复用器和MAX14770E PROFIBUS收发器。

介绍

半导体 （IC） 稳健性 — 工作温度范围是多少？如何处理高电噪声？ESD和故障保护呢？这些问题不一定是设计工程师在选择IC时首先考虑的问题。尽管如此，稳健性是长期运行的关键性能参数，也是可靠、信誉良好的最终产品。在为恶劣工作条件常见的工业环境设计系统时尤其如此。工业设备可能暴露在广泛的温度范围内，电源线路或数据线路上的高电气噪声，以及ESD或短路等故障事件。

如今，工业环境中IC的实际温度标准为-40°C至+85°C，比多年前的标准-40°C至+70°C温度范围高出+15°C。行业趋势是工作温度越来越高，最终新的预期将是汽车行业的-40°C至+125°C。更高的电流和功率密度表明，IC公司必须设计电路以承受更宽的温度范围...或者被排除在决策过程之外。

处理电压瞬变

由于接线不正确或意外短路，电源线路上经常出现电压瞬变。如果输入未受到保护，这些瞬变会损坏下游电路。传统上，由串联保险丝和瞬态电压抑制器 （TVS） 二极管组成的简单而分立的电路用于防止大多数电压瞬变（图 1）。

图1.采用分立元件的瞬态电压保护电路。

然而，使用分立元件的瞬态保护有其自身的局限性。TVS二极管的保护门限通常不能很好地控制，并且会随温度而发生显著变化。此外，发生过压情况后需要更换保险丝。最后，大瞬变需要大TVS二极管，这消耗电路板空间并散发额外的热量。

管理过压和瞬态事件的更可控方法是将保护阈值和反应电路集成到IC中。为了确保每次都能得到可靠的响应，内部比较器和二极管被设计成许多监控和保护IC。一些IC为数据线集成了高压故障保护。为了保护自身免受损坏，当超过正常数据线电压电平时，故障保护器件将闩锁。MAX4708系列多路复用器就是一个例子。MAX4708/MAX4709包括两个故障检测器：一个用于正轨（V+）以上的NO_电压的高边检测器，一个用于低于负轨（V-）NO_电压的低边检测器（图2）。当NO_处的电压超过任一电源轨时，就会发生故障情况，此时N1和P1 FETS均关闭。当发生故障时，这种方法会快速断开交换机的输入和输出。

图2.MAX4708/MAX4709的功能框图

数据系统中的电压瞬变也可以使用RS-485收发器进行管理。RS-485收发器的接收器输入和驱动器输出可能暴露在明显高于工业系统EIA/TIA-485标准规定的-7V至+12V共模范围的电压下。较新的收发器设计用于承受这些过压事件，现在甚至可以承受高达±80V（相对于接地）而不会损坏。这种最先进的技术确保了强大的保护和使用寿命。

防止静电放电和故障

集成ESD电路可保护IC免受ESD事件的损坏，并有助于使整个系统更加稳健。

静电放电（ESD）是另一种过电压事件，当两种具有不同电势的材料接触，转移存储的静电荷并产生火花时，就会发生静电放电（ESD）。ESD火花通常是由人与周围环境的相互作用产生的。这些无意的火花可以改变半导体器件的特性，使其退化或完全破坏。ESD是一个严重的工业问题，估计每年会造成数十亿美元的损失。现场发生的ESD事件会导致单个组件故障，有时还会导致灾难性的系统故障。

外部ESD二极管和其他类型的分立元件电路可用于保护数据线。许多IC器件集成了一定程度的ESD保护，不需要对IC本身进行进一步的外部保护。图3显示了通用集成保护方案的非常简化的功能图。信号输入/输出 （I/O） 上的电压尖峰被箝位至 V抄送或 GND 并保护内部电路。许多接口产品和模拟开关集成了符合IEC 1000-4-2标准的ESD保护。值得注意的是，Maxim最近在其PROFIBUS RS-485收发器MAX14770E上实现了±35kV的ESD人体模型（HBM）电平。

图3.简化的集成ESD保护电路。

结论

虽然鲁棒性涵盖了从工作温度范围到故障和线路保护，再到ESD和短路的不同设计问题，但它通常不是设计工程师首先要解决的问题。这可能是一个严重的错误。工业市场中的应用需要坚固的部件来承受随领土而来的恶劣环境。在设计这些应用的早期，应考虑鲁棒性。

审核编辑：郭婷