Промышленные цифровые входы и выходы. Руководство по проектированию. Часть 5. Организация защиты цифровых входов от помех

30 сентября

системы безопасностиавтоматизацияответственные примененияMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

В цикле статей Maxim Integrated о проектировании цифровых промышленных входов и выходов для приема сигналов дискретных датчиков/переключателей рассматривается возможность применения в этих разработках специализированных ИС Maxim.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых статей на тему ПЛК

Пятая, заключительная часть перевода руководства от компании Maxim Integrated по проектированию цифровых промышленных входов и выходов посвящена рассмотрению наиболее популярных способов защиты от помех. Также в ней дается краткий обзор отладочных средств для микросхем цифровых входов-выходов производства Maxim.

В микросхемах цифровых входов производства компании Maxim Integrated присутствует встроенная защита от статических разрядов. Она выполнена по запатентованной технологии, которая гарантирует высокую устойчивость к помехам ± 8 кВ для контактного разряда и ± 15 кВ для воздушного разряда (с резистором 1 кОм). Однако поскольку стандарты Международной Электротехнической Комиссии (МЭК, IEC) предъявляют требования к законченному оборудованию, а не к отдельным микросхемам, то при проведении испытаний используются стандартные отладочные наборы Maxim. На этих платах, кроме самих микросхем, также расположены различные элементы защиты, например, TVS-диоды, которые необходимы для соответствия требованиям стандартов МЭК.

Выбор устройств защиты

Обеспечение необходимого уровня помехозащищенности для микросхем MAX22190, MAX22192 и MAX22195 возможно при использовании внешних компонентов (рисунок 35). Обычно для защиты используют последовательные резисторы, TVS-диоды и Y-конденсаторы.

Рис. 35. Защита входов

Рис. 35. Защита входов

Последовательные защитные резисторы

Для защиты входов от выбросов напряжения более 1 кВ необходимо использовать последовательный импульсный или MELF-резистор 1 кОм. Например, CMB0207 обеспечивает защиту от одиночных импульсов мощностью до 3 кВт, а CRCW2512-HP – от одиночных импульсов мощностью до 4 кВт.

TVS-диоды

TVS-диоды помогают обеспечить защиту оборудования от статических разрядов в соответствии с требованиями стандарта IEC 61000-4-2. Высокое быстродействие TVS-диодов играет крайне важную роль в обеспечении своевременной реакции на быстрые помехи, длительность фронта которых составляет всего 1 нс. Кроме того, диоды TVS ограничивают выбросы напряжения на безопасном уровне. При выборе TVS-диода для защиты микросхем цифровых входов необходимо учитывать следующие особенности:

  • вывод VDD24 не имеет встроенной защиты от перенапряжений или электростатических разрядов. Для защиты VDD24 требуется внешний TVS-диод;
  • максимальное напряжение ограничения TVS-диода должно быть ниже, чем максимально допустимое напряжение на выводе VDD24 (70 В);
  • TVS-диод начнет проводить ток при приложении обратного напряжения с амплитудой больше напряжения включения;
  • напряжение ограничения TVS-диода будет соответствовать максимальному значению при воздействии перенапряжений, НИП и электростатических разрядов;
  • номинальная мощность TVS должна быть достаточно большой, чтобы выдерживать импульсный ток, например, мощность SMAJ33CA составляет 400 Вт для импульсных помех с импедансом 40 Ом + 2 Ом (IEC 61000-4-4), а мощность SM30T39AY – 3 кВт для помех с импедансом 2 Ом;
  • для ограничения импульсного тока последовательно с TVS-диодом может быть включен импульсный резистор (например, 150 Ом).

Y-конденсаторы

В ответственных приложениях рекомендуется использовать защитные Y-конденсаторы (рисунок 36). Например, при испытании устойчивости микросхемы MAX22192 (со встроенной гальванической развязкой) к НИП Y-конденсатор уменьшает dv/dt, тем самым повышая устойчивость к НИП и дополнительно улучшая уровень изоляции. Y-конденсатор должен подключаться между землей первичной стороны (FIELD GND) и заземлением (Earth), чтобы импульсный ток помехи перенаправлялся на землю, не мешая компонентам, расположенным на вторичной стороне схемы. Кроме того, параллельно с Y-конденсатором может включаться разрядный резистор (> 100 МОм). Рекомендуемое место для размещения Y-конденсатора на плате указано на рисунке 37.

Рис. 36. Использование защитных Y-конденсаторов

Рис. 36. Использование защитных Y-конденсаторов

Рис. 37. Перенаправление тока на землю с помощью Y-конденсатора

Рис. 37. Перенаправление тока на землю с помощью Y-конденсатора

Оценка результатов испытаний

Результаты испытаний устойчивости устройств к воздействию помех классифицируются в соответствии с критериями качества функционирования. Разработчик должен самостоятельно решить, какой критерий функционирования требуется в конкретном оборудовании или приложении. Стандарты IEC 61000-4-x предлагают следующую классификацию качества функционирования после проведения испытаний:

  • нормальное качество функционирования в пределах, установленных изготовителем, заказчиком испытания или покупателем;
  • временное прекращение выполнения функции или ухудшение качества функционирования,которые исчезают после прекращения воздействия помех, с восстановлением нормального функционирования ИО без вмешательства оператора;
  • временное прекращение выполнения функции или ухудшение качества функционирования, коррекция которых требует вмешательства оператора;
  • прекращение выполнения функции или ухудшение качества функционирования, которые не являются восстанавливаемыми из-за повреждения оборудования (компонентов), нарушения программного обеспечения или потери данных.

Помехозащищенность MAX22190 согласно IEC 61000-4

Устройства, использующие микросхемы MAX22190, должны соответствовать основным требованиям стандартов семейства IEC 61000-4, в том числе: IEC 61000-4-2 – устойчивость к электростатическим разрядам (отечественный аналог – ГОСТ Р 51317.4.2-99), IEC 61000-4-4 – устойчивость к наносекундным импульсным помехам (отечественный аналог – ГОСТ Р 51317.4.4-99), IEC 61000-4-5 – устойчивость к выбросам напряжения (отечественный аналог – ГОСТ IEC 61000-4-5).

Благодаря защитным компонентам оценочный набор MAX22190 Evaluation Kit имеет высокий уровень помехозащищенности. Он обеспечивает устойчивость к перенапряжениям ± 2 кВ, устойчивость к контактным разрядам ± 8 кВ, устойчивость к воздушным разрядам ± 15 кВ.

Отладочные наборы и платы

Для быстрого создания прототипов с интегральными микросхемами цифровых входов/выходов компания Maxim Integrated предлагает периферийные модули (Pmod™) и оценочные наборы. Отдельный оценочный набор есть у каждой микросхемы входов/выходов. Такие наборы подходят не только для исследования основных характеристик микросхем, но и для проведения испытаний устойчивости к помехам. Периферийные модули Pmod представляют собой небольшие интерфейсные платы, которые подключаются к системными платам с помощью 6- или 12-контактных разъемов. Pmod помогают оценить характеристики микросхем, но не подходят для проведения испытаний устойчивости к помехам. Платы Pmod являются простым и недорогим вариантом отладки и могут подключаться к USB-порту с помощью отдельных плат адаптеров (USB2PMB1, USB2PMB2 и USB2GPIO). Для управления Pmod используется бесплатная утилита Munich GUI. В качестве альтернативы можно использовать собственную системную плату (с любым микроконтроллером или FPGA) с 12-контактным Pmod-совместимым разъемом. Однако в таком случае пользователь должен самостоятельно разрабатывать управляющее программное обеспечение.

Пример: оценочный набор для 8-канальной микросхемы цифровых входов MAX22190

MAX22190EVKIT является типовым оценочным набором (рисунок 38). Для настройки платы и знакомства со всеми функциями микросхемы MAX22190 используются перемычки. Для работы MAX22190EVKIT необходим внешний источник питания. Для подключения входов и выходов используются простые винтовые клеммы. Плата имеет гальваническую развязку между первичной стороной (стороной датчиков) и вторичной стороной (стороной логики). Кроме того, на плате размещены защитные компоненты, позволяющие обеспечивать защиту согласно требованиям стандартов IEC 61000-4. Благодаря 12-контактному Pmod-совместимому разъему оценочная плата может быть подключена к компьютеру с помощью недорогих USB-адаптеров, например, таких как USB2PMB2 или USB2GPIO. Оценочный набор можно заказать отдельно (MAX22190EVKIT) или в комплекте с USB2PMB2 (MAX22190EVSYS).

Рис. 38. MAX22190EVKIT

Рис. 38. MAX22190EVKIT

Периферийный модуль MAX22190PMB позволяет оценить основные возможности и характеристики микросхемы MAX22190 (рисунок 39). Благодаря особенностям MAX22190 модуль может питаться от низковольтного источника 3,0…5,5 В и не требует питания 24 В. При подключении к компьютеру с помощью адаптера USB2PMB2 питание производится от USB-порта (5 В). Размеры печатной платы Pmod составляют всего 45 мм в длину и 20 мм в ширину, при этом ширина определяется габаритами разъемов X1 и X2. На рисунке 40 показано подключение MAX22190PMB и USB2PMB2.

Рис. 39. MAX22190PMB

Рис. 39. MAX22190PMB

Рис. 40. MAX22190PMB с адаптером USB2PMB2

Рис. 40. MAX22190PMB с адаптером USB2PMB2

Адаптеры для Pmod

Недорогие адаптеры, которые приобретаются отдельно, позволяют подключать платы Pmod к USB-порту ПК и взаимодействовать с интерфейсами I2C или SPI. Для управления платами используется утилита Munich GUI, которая доступна для бесплатного скачивания с сайта Maxim Integrated. Практически все платы Pmod имеют напряжение питания 5 В и могут напрямую питаться от USB-порта компьютера. Исключение составляют платы, которые требуют более мощного источника питания 24 В, например, MAX14912PMB и MAX14914PMB.

USB2PMB2

Адаптер USB2PMB2 выступает в качестве моста между USB-портом и интерфейсами SPI или I2C (рисунок 41).

Рис. 41. Адаптер USB2PMB2

Рис. 41. Адаптер USB2PMB2

USB2GPIO

Адаптер USB2GPIO был разработан для замены USB2PMB2. Он может использоваться для взаимодействия USB-порта с интерфейсами SPI или I2C, а также с портами ввода-вывода (GPIO). Внешний вид USB2GPIOISO представлен на рисунке 42.

Рис. 42. Адаптер USB2GPIO

Рис. 42. Адаптер USB2GPIO

USB2GPIOISO

Для создания прототипов, которым требуется гальваническая развязка, подойдет адаптер USB2GPIOISO (рисунок 43). Он обеспечивает гальваническую развязку между платой USB-адаптера и отладочным набором (оценочной платой или платой Pmod) с помощью микросхемы MAX14483.

Рис. 43. Адаптер USB2GPIOISO

Рис. 43. Адаптер USB2GPIOISO

Для работы с платой используется утилита Munich GUI (рисунок 44).

Рис. 44. Графический интерфейс Munich GUI

Рис. 44. Графический интерфейс Munich GUI

Отладочные платы для микросхем цифровых входов/выходов

В таблицах 8…10 представлена информация об отладочных платах для всех рассмотренных ранее микросхем цифровых входов/выходов.

Таблица 8. Отладочные наборы для микросхем цифровых входов

Наименование Описание Отладочный набор Pmod
MAX22190 Восемь цифровых входов с функциями диагностики MAX22190EVKIT MAX22190PMB
MAX22191 Цифровые входы с паразитным питанием MAX22191EVKIT MAX22191PMB
MAX22192 Восемь цифровых входов с гальванической развязкой MAX22192EVKIT
MAX22195 Восемь цифровых входов с восемью  параллельными выходами MAX22195EVKIT

Таблица 9. Отладочные наборы для микросхем цифровых выходов

Наименование Описание Отладочный набор Pmod
MAX14900E Восемь переключателей верхнего плеча MAX14900D EVBRD
MAX14912/ MAX14913 Восемь переключателей верхнего плеча/драйверов push-pull MAX14912EVKIT MAX14912PMB
MAX14914 Восемь переключателей верхнего плеча с функцией цифрового входа MAX14914EVKIT MAX14914PMB

Таблица 10. Отладочные наборы для микросхем цифровых входов-выходов

Наименование Описание Отладочный набор Pmod
MAX14483 6-канальный цифровой SPI-изолятор MAX14483EVKIT USB2GPIOISO
MAX14001 Изолированный 10-битный АЦП MAX14001EVSYS MAX14001PMB

Заключение

Долгое время для построения цифровых модулей входа-выхода разработчики использовали дискретные компоненты, которые отличаются большими габаритами, малой эффективностью и высоким потреблением. Однако в эпоху многоканальных модулей с постоянно уменьшающимися габаритами вариант с дискретными компонентами оказывается неприемлемым. Появились сверхкомпактные, малопотребляющие, точные и надежные цифровые микросхемы входа-выхода, которые являются отличной альтернативой для дискретных решений. Помимо них, мы рассмотрели в данном цикле статей специализированные изоляторы и полный перечень отладочных наборов, которые могут использоваться как для оценки возможностей микросхем входа-выхода, так и для быстрого создания прототипов.

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

    1. Промышленные цифровые входы и выходы. Руководство по проектированию. Часть 1. Цифровые входы
    2. Промышленные цифровые входы и выходы. Руководство по проектированию. Часть 2. Цифровые выходы
    3. Промышленные цифровые входы и выходы. Руководство по проектированию. Часть 3. Программируемые цифровые выходы
    4. Промышленные цифровые входы и выходы. Руководство по проектированию. Часть 4. IEC 61000-4-X – семейство стандартов ЭМС

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX22191AUT (MAX)
MAX22192ARC+T (MAX)
USB2PMB1# (MAX)
USB2PMB2# (MAX)
USB2GPIO# (MAX)
USB2GPIOISO# (MAX)
MAX22190EVKIT# (MAX)
MAX22191EVKIT# (MAX)
MAX22190EVSYS# (MAX)
MAX22191PMB# (MAX)
MAX22190PMB# (MAX)
MAX14912PMB# (MAX)
MAX14914PMB# (MAX)
MAX14483AAP (MAX)
MAX14483AAP+ (MAX)
MAX14900EAGM+CKT (MAX)
MAX14900EAGM+T (MAX)
MAX14913AKN (MAX)
MAX14913AKN+ (MAX)
MAX14914ATE+T (MAX)