一种传感器外接端子保护装置的制作方法

本申请涉及电路保护领域，具体涉及一种传感器外接端子保护装置。

背景技术：

电磁兼容性(EMC，Electromagnetic Compatibility)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并且不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。

目前包含传感器接线端子的产品，有的是将传感器端子全部内置，由于端子不外漏，因此导致产品本身使用不便；有的产品在输入前端加共模电感，导致产品成本高昂且占用很大体积；有的采用磁环，则占用更大体积。当此类产品的传感器连接端子尤其是多个端子外露时，如果EMC处理不好，ESD(electrostatic discharge，静电放电)、浪涌(Electrical surge，瞬指间出现超出稳定值的峰值，包括浪涌电压和浪涌电流)测试或现场静电放电时容易造成产品死机或复位，严重时会导致器件损坏。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，提供一种传感器外接端子保护装置，其包括依次连接的第一级保护电路、第二级保护电路；所述第一级保护电路用于对来自传感器外接端子的信号做第一级滤波泄放处理；所述第二级保护电路用于对所述第一级保护电路处理过的信号做第二级滤波泄放处理。

本发明的保护装置可用于电气、火灾防护领域中对传感器外接端子的EMC保护，第一级保护电路是整个保护和泄放的关键，大部分能量都消耗在由前端电感和瞬态二极管组成的第一级保护电路上。虽然经过第一级保护电路后能量降低了很多，但是超过100V的电压仍足以击坏相关的集成电路，第二级保护电路最主要的作用是泄放第一级保护电路没有完全处理的能量，从而保障能量能够充分消耗，避免传感器件受到损害。本发明的保护装置非常适合电气火灾领域对传感器外接端子的保护，也适用于其它工业产品中传感器的保护，具有十分广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例一的保护装置与剩余电流互感器连接示意图；

图2为实施例一的保护装置与温度传感器连接示意图；

图3为实施例一的保护装置的第一级保护电路结构示意图；

图4为高频电感阻抗绝对值与频率的关系示意图；

图5为实施例一的保护装置的第二级保护电路结构示意图；

图6为实施例一的保护装置的第三级保护电路结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

实施例一：

本实施例的传感器外接端子保护装置包括依次连接的第一级保护电路和第二级保护电路，还包括第三级保护电路。

本实施例的传感器外接端子保护装置10既可以与如图1所示的剩余电流互感器20连接，也可以与如图2所示的温度传感器30连接，还可以连接至其它类型的传感器外接端子。可应用于对传感器外接端子接触放电8KV测试和浪涌线对地1KV冲击的保护。

如图3所示，第一级保护电路包括第一四电感L14、第三瞬态二极管D3、第八电感L8、第五瞬态二极管D5。第一四电感L14、第八电感L8为高频电感。

第一四电感L14的输入端用于接收来自传感器外接端子的第一信号SIN1_A，其输出端连接至第三瞬态二极管D3的第一端；第八电感L8的输入端用于接收来自传感器外接端子的第二信号SIN1_B；第三瞬态二极管D3的第二端和第八电感L8的输出端连接至第五瞬态二极管D5的第一端，第五瞬态二极管D5的输出端接地。第一信号SIN1_A和第二信号SIN1_B可以是剩余电流互感器产生的电流信号或温度传感器产生的信号，为模拟量。

第一级保护电路用于对第一信号SIN1_A和第二信号SIN1_B做第一级滤波泄放处理，第三瞬态二极管D3、第五瞬态二极管D5用于抑制静电产生的高压脉冲，通过第五瞬态二极管D5泄放到系统的GND。实际试验结果表面，将第一四电感L14、第八电感L8两个高频电感放在进线端可以达到最好的效果。电感的感抗特性能很好的抑制ESD测试时传感器端子产生的火花放电进而引起的脉冲干扰，这种火花放电是一种非常复杂的物理现象，在移动火花间隙的情况下，当速度变化时，由此产生的放电电流的上升时间(上升速率)能从小于1nS的值到大于20ns的值发生变化，由此产生电场和磁场的交替变换，导致对产品的电路、器件、印刷电路板会产生强的串扰和辐射。

高频电感等效电路为电感本身寄生电容C、等效电阻和电感串联后并在一起构成，电感的高频特性与理想电感的预期特性不同，如图4和公式(1)所示，当频率接近谐振点时，高频电感的阻抗迅速提高；当频率继续提高时，寄生电容C成为主要的影响因素，线圈阻抗逐渐降低。由此选择合适参数的高频电感对静电测试时产生的脉冲干扰有很好的缓冲和吸收衰减的功能，实际测试表明，采用高频电感比使用各种插件的磁珠具有更好的效果。

公式(1)中，Z_e为电感的等效电阻，w为角频率，L为自身电感(理想状态)，R_L为损耗电阻，C_L为分布电容。

第三瞬态二极管D3对静电产生和浪涌产生的差模干扰有很好的泄放作用，当第三瞬态二极管D3两端的电压高于其门限电压时，第三瞬态二极管D3会立即导通使得能量消耗掉或返回GND消耗掉，第五瞬态二极管D5对共模干扰有很好的泄放作用，第五瞬态二极管D5的反应时间为ns级别且容抗最大为1.5pf。

ESD测试和浪涌测试都会产生不同的脉冲，雷击浪涌的主要特点是能量大，静电的主要特点是脉冲的范围宽。具体地，ESD测试时，第一四电感L14的作用是缓冲、吸收、衰减，第八电感L8的作用是缓冲、吸收、衰减，第三瞬态二极管D3的作用是泄放，第五瞬态二极管D5的作用是泄放；浪涌测试时，第一四电感L14的作用是缓冲，第八电感L8的作用是缓冲，第三瞬态二极管D3的作用是泄放、第五瞬态二极管D5的作用是泄放。

第一级保护电路的第一四电感L14输出端连接至第二级保护电路的第一贴片磁珠BL1输入端；第一级保护电路的第八电感L8输出端连接至第二级保护电路的第二贴片磁珠BL2输入端。第一信号SIN1_A经第一四电感L14处理后产生的SIN1_A1信号输出至第二级保护电路的第一贴片磁珠BL1输入端；第二信号SIN1_B经第八电感L8处理后产生SIN1_B1信号输出至第二级保护电路的第二贴片磁珠BL2输入端。

如图5所示，第二级保护电路包括第一贴片磁珠BL1、第一七瞬态二极管D17、第二六开关二极管D26、第二贴片磁珠BL2、第一六瞬态二极管D16、第二九开关二极管D29、模拟开关模块U3、第八电容C80、第五电容C5。贴片磁珠是一种被动元件，也称为磁环、EMI滤波器、铁芯等，是一种特别的扼流圈，其成份多半为铁氧体，专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，具有吸收静电脉冲的能力。贴片磁珠主要用于吸收超高频信号，有很高的电阻率和磁导率，等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化。

第一贴片磁珠BL1的输入端用于接收SIN1_A1信号，其输出端连接至第一七瞬态二极管D17的第一端、第二六开关二极管D26的第一端、模拟开关模块U3的COM1端；第一七瞬态二极管D17的第二端接地；第二六开关二极管D26的第二端接+3.3V电源，其第三端接地。第二贴片磁珠BL2的输入端用于接收SIN1_B1信号，其输出端连接至第一六瞬态二极管D16的第一端、第二九开关二极管D29的第一端、模拟开关模块U3的COM2端；第一六瞬态二极管D16的第二端接地；第二九开关二极管D29的第二端接+3.3V电源，其第三端接地。

第八电容C80的第一端和第五电容C5的第一端连接至模拟开关模块U3的VCC端和+3.3V电源；第八电容C80的第二端和第五电容C5的第二端接地；第八电容C80为电解电容或带极性的电容，其第二端为负极端。第八电容C80和第五电容C5的设计可以保证模拟开关模块U3正常工作从而不受干扰。

第一七瞬态二极管D17、第一六瞬态二极管D16具体可采用ESDA-05瞬态二极管，第二六开关二极管D26、第二九开关二极管D29具体可采用D26Bav99开关二极管。

第一级保护电路输出的SIN1_A1信号和SIN1_B1信号分别经过600Ω的第一贴片磁珠BL1和第二贴片磁珠BL2做一次滤波，例如滤除90-150Mhz范围的信号，再分别经过第一六瞬态二极管D16和第一七瞬态二极管D17进一步为ESD(5v)器件进行干扰泄放，本实施例可以采用高速开关二极管(High-speed switching diodes)，例如BAV99型号的开关二极管，可以使传感器信号线的干扰电压钳位在一定的范围内，使静电干扰和对器件的浪涌冲击降到最低，防止出现器件损坏的现象。BAV99是半导体二极管的一种，其由导通变为截止或由截止变为导通所需的时间比一般二极管短，主要应用于电子设备的开关电路、检波电路、高频和脉冲整流电路及自动控制电路。

模拟开关模块U3的IN1端用于接收TS_SEL0信号，其IN2端用于接收TS_SEL1信号；TS_SEL0信号和TS_SEL1信号分别为MCU(Micro Control Unit，微控制单元)控制模拟开关模块U3选通引脚的信号。其NC1端和NC2端通过1K的第一电阻R109接地。其NO1端用于输出TS_IN1信号，其NO2端用于输出TS_IN2信号；TS_IN1信号和TS_IN2信号分别为经过模拟开关模块选通后的输出信号，传输到MCU。其GND端接地。SIN1_A1信号、SIN1_B1信号、TS_SEL0信号、TS_SEL1通过模拟开关模块U3选通，再输出到微控制单元的模数转换IO口。

如图6所示，第三级保护电路包括第一磁珠L1、第二磁珠L2、第二三瞬态二极管D23、第三电容C36、第四电阻R4，第三级保护电路是电源滤波和GND干扰信号的总泄放电路。

第一磁珠L1的输入端连接至传感器的传感器的总输入滤波端，其输出端连接至第二三瞬态二极管D23的第一端和电源；第二磁珠L2的输入端连接至传感器的接地端；第二三瞬态二极管D23的第二端和第二磁珠L2的输出端接地。第三电容C36的第一端和第四电阻R4的第一端接地，第三电容C36的第二端和第四电阻R4的第二端接地。第一磁珠L1、第二磁珠L2的型号为BL3-3.5×6。

第一磁珠L1、第二磁珠L2可以采用插件的铁氧体(磁珠)，对传感器供电部分的ESD和浪涌干扰有很好的滤波作用(即对杂波的吸收功能)。第二三瞬态二极管D23可以处理掉传感器供电端的差模干扰信号，第三电容C36(即高压电容)和四电阻R4(即泄放电阻)把泄放到整个产品的干扰泄放到大地。

本实施例的保护装置可用于电气、火灾防护领域中对传感器外接端子的EMC保护，第一级保护电路是整个保护和泄放的关键，大部分能量都消耗在由前端电感和瞬态二极管组成的第一级保护电路上。虽然经过第一级保护电路后能量降低了很多，但是超过100V的电压仍足以击坏相关的集成电路，第二级保护电路最主要的作用是泄放第一级保护电路没有完全处理的能量，从而保障能量能够充分消耗，避免传感器件受到损害。第三级电源保护电路为整个电路系统泄放的通路，对传感器或电路系统供电提供保护。本实施例的保护装置降低了产品成本，减小了产品的体积，通过多级泄放，非常适合电气火灾领域对传感器外接端子的保护，也适用于其它工业产品中传感器的保护，具有十分广阔的应用前景。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施方式只局限于这些说明。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。