2 系統(tǒng)級保護說明和基于快速故障恢復時間的設計

為了幫助系統(tǒng)設計人員解決 EFT 突發(fā)和永久誤接線導致的故障，我們概述了 PLC 通信設計中的重要注意事項。首先，通常使用 TVS 二極管（分立式二極管或類似 TVS3301 的平緩鉗位二極管）保護 PLC 輸入和輸出。這些 TVS 二極管已經(jīng)鉗制了非常高的突發(fā)瞬變。雖然 TVS 二極管可承受 kV 范圍內的突發(fā)，但電子元件卻不能。

另一方面，PLC 系統(tǒng)的電子電路必須能夠承受外部電壓源的永久性 EFT 突發(fā)脈沖和永久性誤接線。由于 TVS 二極管在過壓條件下導通，因此它們無法處理永久性過壓/欠壓 (OV/TVS UV) 情況。對于可產(chǎn)生更高電流的模擬輸出或電流輸入，使用沒有保護開關的 TVS 二極管帶來了挑戰(zhàn)。例如，雖然突發(fā)鉗位 TVS 二極管會在 36V 的更高電壓下觸發(fā)，但向輸出端施加永久的 24V 直流電可能會損壞 PLC 系統(tǒng)電子元件。系統(tǒng)設計人員可以放置一個能夠鉗位在 15V 左右的鉗位二極管，從而保護 ±15V 供電的輸出。如果發(fā)生 24V 接線錯誤，二極管將永久導通并分流電源可以提供的所有電流。這會導致二極管消耗大量能量，并最終損壞。引入保護開關可解決這個問題，因為會阻止永久的直流誤接線電壓。

TVS 二極管也不得用其漏電流影響模擬信號。這意味著所選的鉗位電壓必須對信號透明，不在開關的 OVP 保護額定值范圍內導通，但要鉗位在該電平以上以防止突發(fā)。這樣就需要一個保護開關，該開關可以處理永久 EFT 突發(fā)脈沖，并可以阻斷 TVS 二極管之后的永久直流過壓/欠壓條件。

最后，為了幫助在 EFT 突發(fā)期間保持信號完整性，設計人員必須選擇具有適當故障恢復時間的保護開關。如果信號鏈路線上保護開關的故障恢復時間 (trecover) 超過突發(fā)數(shù)據(jù)包內兩個脈沖之間的關斷時間 (toff)，則系統(tǒng)將無法通過標準 B，這意味著鏈路放電和信號丟失（圖 2-1）。對于 EFT 突發(fā)測試，突發(fā)數(shù)據(jù)包內兩個脈沖的間隔時間是 10us 或 200us，具體取決于所選的重復時間。

圖 2-1 突發(fā)測試期間鏈路放電且恢復時間過長

要解決該問題，請使用恢復時間足夠快的 TI 故障保護多路復用器，以便鏈路在 EFT 脈沖之間重新充電。在由 ±15V 電源供電時，TI 故障保護多路復用器的故障恢復時間介于 1.1us 至 1.6us 之間（圖 2-2）。

圖 2-2 突發(fā)測試期間鏈路重新充電，滿足 EFT 突發(fā)測試標準 B

要查看預期結果，我們還可以查看 Tina-TI 模型（圖 2-3）。此模型代表了一個 PLC 通信系統(tǒng)，其中 OPA990 產(chǎn)生 10V 信號，通過輸出保護器開關發(fā)送，然后最終通過接收器（也稱為模擬輸出模塊）。此外，脈沖群發(fā)生器會將 0V 至 20V、100kHz 標準 EFT 脈沖發(fā)送到信號線上，模擬一個鉗位脈沖。輸出保護器的故障恢復時間為 2us。

圖 2-3 Tina-TI 模型

圖 2-4 Tina-TI 模型結果

V_Link 顯示信號頂部的突發(fā)脈沖。V_TX 是放大器的輸出，V_RX 是模擬輸出模塊。通過查看圖 2-4，我們可以預期故障保護開關能夠在 EFT 脈沖之間重新連接信號線，輸出端上的失調電壓誤差為 100mV。在使用標準 EFT 脈沖測試 TI 的故障保護器件時，我們預計 10V 信號線鏈路上會出現(xiàn)小于 100mV 的小電壓誤差。