2 系统级保护说明和基于快速故障恢复时间的设计

为了帮助系统设计人员解决 EFT 突发和永久误接线导致的故障，我们概述了 PLC 通信设计中的重要注意事项。首先，通常使用 TVS 二极管（分立式二极管或类似 TVS3301 的平缓钳位二极管）保护 PLC 输入和输出。这些 TVS 二极管已经钳制了非常高的突发瞬变。虽然 TVS 二极管可承受 kV 范围内的突发，但电子元件却不能。

另一方面，PLC 系统的电子电路必须能够承受外部电压源的永久性 EFT 突发脉冲和永久性误接线。由于 TVS 二极管在过压条件下导通，因此它们无法处理永久性过压/欠压 (OV/TVS UV) 情况。对于可产生更高电流的模拟输出或电流输入，使用没有保护开关的 TVS 二极管带来了挑战。例如，虽然突发钳位 TVS 二极管会在 36V 的更高电压下触发，但向输出端施加永久的 24V 直流电可能会损坏 PLC 系统电子元件。系统设计人员可以放置一个能够钳位在 15V 左右的钳位二极管，从而保护 ±15V 供电的输出。如果发生 24V 接线错误，二极管将永久导通并分流电源可以提供的所有电流。这会导致二极管消耗大量能量，并最终损坏。引入保护开关可解决这个问题，因为会阻止永久的直流误接线电压。

TVS 二极管也不得用其漏电流影响模拟信号。这意味着所选的钳位电压必须对信号透明，不在开关的 OVP 保护额定值范围内导通，但要钳位在该电平以上以防止突发。这样就需要一个保护开关，该开关可以处理永久 EFT 突发脉冲，并可以阻断 TVS 二极管之后的永久直流过压/欠压条件。

最后，为了帮助在 EFT 突发期间保持信号完整性，设计人员必须选择具有适当故障恢复时间的保护开关。如果信号链路线上保护开关的故障恢复时间 (trecover) 超过突发数据包内两个脉冲之间的关断时间 (toff)，则系统将无法通过标准 B，这意味着链路放电和信号丢失（图 2-1）。对于 EFT 突发测试，突发数据包内两个脉冲的间隔时间是 10us 或 200us，具体取决于所选的重复时间。

图 2-1 突发测试期间链路放电且恢复时间过长

要解决该问题，请使用恢复时间足够快的 TI 故障保护多路复用器，以便链路在 EFT 脉冲之间重新充电。在由 ±15V 电源供电时，TI 故障保护多路复用器的故障恢复时间介于 1.1us 至 1.6us 之间（图 2-2）。

图 2-2 突发测试期间链路重新充电，满足 EFT 突发测试标准 B

要查看预期结果，我们还可以查看 Tina-TI 模型（图 2-3）。此模型代表了一个 PLC 通信系统，其中 OPA990 产生 10V 信号，通过输出保护器开关发送，然后最终通过接收器（也称为模拟输出模块）。此外，脉冲群发生器会将 0V 至 20V、100kHz 标准 EFT 脉冲发送到信号线上，模拟一个钳位脉冲。输出保护器的故障恢复时间为 2us。

图 2-3 Tina-TI 模型

图 2-4 Tina-TI 模型结果

V_Link 显示信号顶部的突发脉冲。V_TX 是放大器的输出，V_RX 是模拟输出模块。通过查看图 2-4，我们可以预期故障保护开关能够在 EFT 脉冲之间重新连接信号线，输出端上的失调电压误差为 100mV。在使用标准 EFT 脉冲测试 TI 的故障保护器件时，我们预计 10V 信号线链路上会出现小于 100mV 的小电压误差。