【经验】复杂工业环境下IO-link设备的ESD保护电路设计
IO-Link标准(IEC61131-9)是一种不受现场总线影响的点对点数字通信技术，用于为工业自动化构建智能解决方案，IO-Link在工业系统的中的位置如图1所示。ZIOL2xx是IDT（现已被RENESAS收购）推出的符合IO-Link标准的电平转换系列IC，具备杰出的EMC特性，可配置性高，只需要一条简单的标准工业电缆，即可搭建IO-link接口，利用非屏蔽型三芯或四芯电缆，便可实现智能传感器和执行器的连接，同时还能够连接二进制和模拟设备。IO-Link技术虽然方便，但复杂的工业环境中对ESD保护电路有着特别的要求，本文将介绍复杂工业环境下IO-link设备的ESD保护电路。
图1.IO-link在工业系统中的位置
IO-link设备或主机接口在连接到主端口时必须经过ESD电路。说起ESD电路，最重要的功能便是，电压钳位。常见的钳位方式是在未稳压的输出端增加一个齐纳二极管，使用一个缓冲器来消耗漏能量，这样做一般会消耗更多的功率，并且不能始终提供稳定的输出无负载降压。为提高电路钳位能力，提出了一种特别的ESD电路设计方式，其原理图如图2所示。其中，DZ1-DZ6是双向TVS元件，允许电路在36V输入下工作。电感Lvdd，Lgnd和电容Cfi构成的低通滤波器，降低了ESD放电期间的峰值，将输入电路的钳位能力提高到了40V。该电路还使用了10μF/50V低ESR电容（该原理图中并没有体现，实际这个电容是很重要的存在）和肖特基二极管，使得该电路可承受相当于100nF电容充电到600V的放电。
图2. ESD保护电路原理图
ZIOL2xx内部集成了线性稳压器和低压开关稳压器。 铁氧体电感的额定电流需大于设备通信时0.5A的电流，建议选用的额定电流为1A电感。Lcom与Ccom，Laux和Caux构成两个大容量低通LC滤波器，有助于滤掉通信口COMI/O，AUXI/O两端的尖峰电压。通过增加串联电阻Raux和Rcom，限制了输入电流尖峰，保证了这两个LC（此处手册中用的LF滤波器，笔者认为应该是LC滤波器）滤波器在最大通信频率（230.4kps）下也能工作。最终设计出来的ESD保护板实物图与IC板的安装连接如图3所示。
图3. ESD保护板与IC板的安装连接图
经试验测试证明，这款ESD电路能够承受100nF聚丙烯薄膜(pp)电容器的充电到600V的ESD放电，安全，可靠。图4展示了一些试验数据图。
图4.测试结果
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INDUSTRIAL NETWORKS: Enabling IIoT and industry 4.0 Infrastructure
型号- RX71M,RX23T,R-IN32M3-EC,RA4M1,RA6M1,RA4M3,RA4M2,RA6M3,RA6M2,RA2E1,RA6M5,RTK0EMXDE0C00000BJ,RA6M4,RZ/T2M,RX23E-A,Y-SK-RIN32M3-CL (CC-LINK IE),RA2E2,RA2A1,Y-SK-RIN32M3-EC (ETHERCAT),RTK50565N2S80000BE,YCONNECT-IT-RZN1D,TS-EC-1,RZ/N2L,RTK5RX72N0C00000BJ,RX23W,YCONNECT-IT-RZN1L,RX113,RX66T,RTK9RZT2M0S00000BE,RX66N,YCONNECT-IT-RZN1S,RA6T1,RX111,R-IN32M3,RZ/T1,RA2L1,RX651/N,RZ/N1S,ASI4U-V5,YDRIVE-IT-RZT1,RL78/G14,YCONNECT-IT-RIN,RZ/N1L,RTK7910018S90000BE,RTK0EF0058D01001BJ,RL78,CCE4510,RZ/N1D,RX65N,YCONNECT-IT-EC1,R-IN32(EC),RTK9RZN2L0S00000BE,CCE4502,R-IN32M4-CL3,R-IN32(CL),RTK0ESXB10C00001BJ,RTK5RX66N0C00000BJ,RTK7910018S00000BE,CCE4303,R-IN32M3-CL,RDC-IC RTK0EMXDE0C00000BJ,RX72M,RX24T,RX651,RX72N,RX24U,EC-1,R-IN32(CL3),RX130,RX64M,RZ/N1,RTK5CK65N0S04000BE,ZIOL2401,RTK0EF0058D02001BJ,RX230/1,IOLINKLABKITV2P0,RTK7EKA2A1S00001BU,RTK5572MNDS10000BE,YCONNECT-IT-TPS-1L,YCONNECT-IT-RZN1-EB,RY9012A0000GZ00,YCONNECT-IT-I-RJ4501,TPS-1,RX72T
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