1 TI 技術手冊

I/O 模塊

在大多數工業應用中，系統架構包含一個中央 PLC，用于控制遍布周圍環境的外設（例如傳感器、螺線管和閥）并與它們進行通信。PLC 通過 PLC 模塊內集中分布的數字信號輸出（稱為“I/O 模塊”）與這些外設進行通信，因此，確保 I/O 模塊的可靠性對于維持安全高效的工業環境至關重要。

I/O 模塊上的浪涌設計挑戰

• 輸出與輸入保護（低阻抗與高阻抗）
• 設計時針對鉗位電壓隨溫度和器件變化的注意事項

什么是浪涌？

浪涌是一種瞬態事件，當大型能量源耦合到電氣系統上時，會引起較大的電流和電壓尖峰，這時便會發生所謂的浪涌。該事件在 IEC61000-4-5 中定義為上升時間為 8μs 、 半峰值時間為 20μs 的一次短路電流脈沖。浪涌電流的大小隨設備所處的環境以及耦合到線路上的能量源而變化。在使用 I/O 模塊的工業應用中，即使該模塊不直接接觸遭受雷擊的位置，也會引發電涌事件。有關浪涌起因的更多信息，請查看《揭秘浪涌保護》。

I/O 模塊中需要保護什么？

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

圖 1-1 模擬輸出模塊組件

數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。數字輸出模塊可包含供電模塊，例如低 R_ON 開關，這些開關可以導通和關斷相對較高的電流。正因為有了這些低阻抗輸出（通常是 MOSFET 的源極），當發生浪涌事件時，電流很容易通過器件，并且會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 數字輸出模塊元件

TI 的平緩鉗位

這些模塊需要保護，那么 TI 的平緩鉗位器件可以提供哪些保護呢？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勢。

許多 I/O 模塊都具有接近工作電壓的絕對最大額定電壓。例如，ADS8689 的輸入電壓范圍為 ±12V，絕對最大電壓為 ±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，鉗位電壓將會是 19.4V。這對于確保輸入/輸出模塊的可靠性至關重要。整個平緩鉗位系列都是如此，因為該系列的所有器件都具有超低的鉗位電壓（相對于其擊穿電壓），因而可以在任何電壓范圍內保護敏感設備。

圖 1-3 TVS3300 與傳統 TVS 的浪涌波形

在模擬模塊（輸入或輸出）中，泄漏非常重要。這些模塊會測量某個引腳上的電壓，該引腳上的任何泄漏會使引腳電壓讀數與實際值不同。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 6 個數量級。

許多 I/O 模塊對電路板的尺寸都有非常嚴格的限制，因此，使每個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，電路板設計人員可以將 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 模塊的環境很容易受到這些浪涌的影響，如果不進行適當處理，則會對系統造成嚴重損害。TI 的平緩鉗位器件系列有助于保護大多數不同的模擬或數字輸入和輸出模塊免受浪涌事件的影響。