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使用 SurgeSwitch™ 保护 IO-Link

21 December 2021 / by Anindita Bhattacharya

Anindita Bhattacharya

使用 Semtech 的 SurgeSwitch 保护 IO-Link

什么是 IO-Link?

如今,“工业 4.0”这个词越来越流行。工业 4.0 是指通过自动化、精确的计算机控制机器人、智能机器、智能技术来实现超快速、无故障的生产制造,最重要的是通过物联网 (IoT) 技术和海量数据处理实现实时信息访问(大数据/云)。近几十年来,随着自动化及相关技术的快速发展,工业制造发生了巨大的变革。在智能工厂中,机器和传感器连接到网络,器件相互通信,计算机监测系统的整个网络。其基本概念是从制造链的所有组件中捕获实时数据,并在工厂的任何地方远程访问数据,以最大限度地减少故障造成的停机时间并提供全面的实时诊断。

当今工业 4.0 智能工厂的支柱是 IO-Link。IO-Link 是一种标准化的点对点串行通信链路,用于在两个节点之间交换数据。链路的一个端点通常是一个传感器,包括压力、温度、接近度、位置和力传感器,或一个执行器,例如液压缸、线性执行器和气动控制阀等。此类器件通常称为 IO-Link 器件。链路的另一个端点是 IO-Link 主机。IO-Link 主机通常有 4 到 8 个端口,每个端口与一个 IO-Link 器件建立双向通信。IO-Link 主机接收来自器件的所有数据,并通过标准现场总线或工业以太网将该信息传输到 PLC 或工业计算机。完整的 IO-Link 系统架构如图 1 所示。

图 1. IO-Link 系统架构图 1. IO-Link 系统架构

IO-Link 器件的 EOS/ESD 防护

IO-Link 使整个工业制造过程无压力、无故障。IO-Link 收发器中使用的集成电路可以在恶劣的制造环境中工作。不仅如此,IO-Link 器件还可以在需要时从 IO-Link 主机插入和拔出。这些工作条件会导致瞬态尖峰电压,例如可能达到数千伏的静电放电 (ESD) 事件,这可能损坏收发器。传统的瞬态电压抑制 (TVS) 二极管会锁定系统级 ESD 峰值,转移数据端口的高电流,从而保护 IO-Link 端口和收发器免受 ESD 威胁。在介绍保护细节之前,我们先谈谈 IO-link 端口。

IO-Link 器件使用标准的 3 线或 4 线连接端口(M12 端口),称为 Type-A 或 Type B 端口。IO-Link 主机和 IO-Link 器件之间的电缆最长可达 20 米。端口的引脚配置如图 2 所示。

图 2. Type A 和 Type B IO-Link 端口图 2. Type A 和 Type B IO-Link 端口

在这两个端口中,引脚 1 提供 24V DC 为 IO-Link 器件供电。引脚 4(表示为 C/Q)承载通信或信号信息。C 用于单点数字通信接口 (SDCI) 或 IO-Link 模式,与数字输入 (DI) 或数字输出 (DO) 进行双向通信。在 IO-Link 模式下,可进行传输速率为 4.8kBit/s (COM1)、38.4kBit/s (COM2) 和 230.4kBit/s (COM3) 的双向通信。Q 用于标准输入输出 (SIO) 通信。引脚 2 对于 Type A 是可选的,有时会由制造商设置以连接额外的数字输入或数字输出信号。否则,它保持未连接 (NC)。引脚 5 也未连接到 Type-A 端口。Type B 端口用于 IO-Link 器件,需要由独立 24V 电源额外供电。引脚 2 和引脚 5 之间有单独的电源连接。一些更广泛的器件,例如阀组和其他执行器,通过引脚 2 和引脚 5 使用额外的电源。

在瞬态事件期间,IO-Link 端口的这四个引脚应能够承受正极性和负极性浪涌。需在连接器的任何两个引脚之间进行仔细的浪涌保护测试。此外,在保护电路的同时,还应满足 IEC 61000-4-2 ESD、IEC 61000-4-4 电快速瞬变脉冲群和 IEC 61000-4-5 浪涌要求等标准。最重要的是,紧凑的解决方案有利于节省空间。可以考虑 15% 的输入电源容差来选择电路保护器件。最重要的是,我们可以考虑多一点保护力度。因此,对于 IO-Link 等 24V 应用,33V 保护器件是合适的。

Figure 3. Clamping voltage versus Peak Pulse Current comparisonFigure 3. Clamping voltage versus Peak Pulse Current comparison

Semtech offers a wide range of protection devices for IO-Link devices and masters transceivers. The new TDS3311P SurgeSwitch™ from Semtech's SClamp® system protection portfolio is ideally suited to safeguard the IO-Link devices and masters. SurgeSwitch does not use a conventional PN junction TVS diode for protection. Instead, it uses a surge-rated field-effect transistor (FET) as the primary protection element, which is used as a voltage-controlled switch. This technology brings substantial advantages in protecting IO-links from ESD and EOS events. One advantage worth mentioning here is the nearly constant clamping voltage across the rated peak pulse current range, as shown in Figure 3. The clamping remains stable over the operating temperature range; it does not degrade over temperature like conventional TVS diodes. Consistent performance over temperature is a critical point in selecting a protection device for an IO-Link circuit working in a rugged industrial environment. Another significant advantage is that the clamping voltage of TDS3311P is at least 30% less than the conventional TVS ESD protection devices (Figure 4).

Figure 4 - 4图 4. TDS3311P 更低的钳位电压

Semtech 的 TDS3311P 专门用于保护工作电压为 33V 的电压总线或数据线。它的额定高能量峰值脉冲电流能力高达 35A(TP=8/20µs,符合 IEC 61000-4-5)。TDS3311P 可用于满足 ±1kV 的常见工业电压浪涌标准(RS=42Ω,CS=0.5F)。它以 36V 的最低击穿电压保护一条 IO-Link 线路。Ipp=35A 时的最大钳位电压为 42V。TDS3311P 根据 IEC 61000-4-2 (ESD) 规范在 ±30kV(空气)、±30kV(接触)下提供瞬变保护。它的动态电阻仅为 0.20Ω(典型值)。TDS3311P 采用 6 引脚 DFN 封装,标称尺寸为 1.6 x 1.6 x 0.55 mm。

现在我们来看几个保护 IO-Link 端口的例子。如图 5 所示,可实现 3 引脚 IO-Link 端口的 ESD 保护。TDS3311P 用作 D1 到 D3 的 ESD 保护器件。对于 VBus 线路上的反极性保护,建议使用 TVS 二极管 µClamp™3671P。两个彼此相对的 TDS3311P 可用于双向保护。图 6 所示为 IO-Link 4 引脚端口的 ESD 保护选项。

图 5. IO-Link 器件三引脚端口的 ESD 保护图 5. IO-Link 器件三引脚端口的 ESD 保护

图 6. IO-Link 器件四引脚端口的 ESD 保护图 6. IO-Link 器件四引脚端口的 ESD 保护

与 IO-Link 器件类似,IO-Link 主机收发器也需要 ESD 保护。每个 IO-Link 主机由 4 到 8 个端口组成,提供 IO-Link 器件之间的点对点通信,并充当 PLC 和现场总线的网关。通常使用四通道收发器连接 4 个端口。主机端口发起通信并与器件交换数据。主机端口需要保护器件来满足 IEC 61000-4-2 ESD 抗扰性、IEC 61000-4-4 电快速瞬变脉冲群抗扰性和 IEC 61000-4-5 浪涌抗扰性等标准。Semtech 的 TDS3311P 可以在瞬态事件期间保护主机端口,如图 7 所示。

图 7. IO-Link 主机的 ESD 保护图 7. IO-Link 主机的 ESD 保护

Semtech 还提供用于 IO-Link ESD 和浪涌保护的传统 TVS 二极管。下表显示了一些用于多线保护和更高电压应用的传统 Semtech 部件。

Part Name Description VRWM IEC ESD (Air/Contact) Surge (8x20µs)

CL(Typ)

封装
µClamp3612S 2-Line Uni, 1-Line Bi 33V ±30kV/±30kV 16A 53pF for line-line; 108pF for line-gnd SOT23
SDC36C* 2-Line Uni, 1-Line Bi 33V ±15kV/±8kV 4A 100pF SOT23
µClamp3673P 3-Lines Uni 36V ±30kV/±30kV 18A 25pF DFN 3.0x1.6x0.57mm
µClamp3603T* 3-Lines Uni 36V ±20kV/±15kV 3.5A 25pF DFN 1.7x1.0x.0.4mm
µClamp3671P   36V ±30kV/±30kV 18A 150pF DFN 1.5x1.0x0.5mm

*用于 IO-Link 保护的 TVS SDC36CμClamp3603T 可在 MAX14820MAX14827A 的 Maxim 参考设计中找到。

结论

IO-Link 是第四次工业革命(工业 4.0)不可或缺的一部分,因使用简单而广受欢迎。IO-Link 端口的使用模型会受到大量 ESD 尖峰的影响。必须保护端口免受 ESD 威胁,以便工业制造链保持无故障运行。Semtech 拥有广泛且值得信赖的 TVS 产品,长期以来一直是屏蔽保护世界上许多 IO-link 器件的首选方法。随着 Semtech 的 SurgeSwitch 器件的推出,现在可以显著提高 ESD 保护,以确保 IO-Link 通信的性能在恶劣的工业环境中更加可靠。Semtech 的 SurgeSwitch TDS3311P 是保护 IO-Link 端口的理想选择,可实现流畅、无故障的不间断用户体验。

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Semtech, the Semtech logo, and SClamp are registered trademarks or service marks, and SurgeSwitch and µClamp are trademarks or service marks, of Semtech Corporation or its affiliates.

Topics: Circuit Protection, Industrial Control

Anindita Bhattacharya

作者 Anindita Bhattacharya

Anindita Bhattacharya is principal solutions architect of system protection in Semtech’s Protection Products Group. She is also an adjunct faculty at San Jose State University.

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