[发明专利]带有浪涌保护监测的电路

说明书

本发明涉及带有浪涌保护监测的电路，特别用于，但不专用于监测现场总线电路中所使用的浪涌保护设备。

现场总线(或场地总线)是指用于实时分布式控制的工业计算机网络协议族的名称，现在成为IEC 61158标准。复杂的自动化工业系统，例如燃料精炼厂，通常需要控制系统有组织的体系结构来运转。在该体系结构中，处于顶层的是人机接口(HMI)，其中操作者可以监测或操控系统。它一般通过非时间关键的通信系统(例如以太网)连接到可编程逻辑控制器(PLC)的中间层。在控制链的底层是现场总线，它将PLC连接到实际工作的元件，例如传感器、致动器、电动机、控制灯、开关、阀和接触器。

现场总线常用于本质安全的环境中，例如易燃的空气中，特别是分类为IIC的气体族，氢气和乙炔，以及以下的，例如气体和/或灰尘的IIB和IIA气体族。利用现场总线协议，这种环境中的现场仪器和设备通过电气通信电路远程控制和监测，所述电气通信电路经常和驱动现场设备的电源被设置在相同的电路中。

所有电子设备，而不仅仅是用于现场总线电路中的设备，需要根据应用于该类型设备的相关标准来防止电力浪涌。因此，在对所讨论的电子设备提供电力和/或通信的电路中提供浪涌保护设备已知的。这些浪涌保护设备保护敏感电子器件免受过电压和/或过电流应力，所述过电压和/或过电流应力由如静电放电(ESD)、电缆反电动势(cable backe.m.f)、二次雷电冲击、从高压线来的交叉耦合、拾起以及其他任意暂态效应的事件引起。这些事件根据IEC 61000-4-2和IEC 61000-4-4标准被称为“电气快速瞬态事件”，这两个标准为保护设备设定了基准需求。

这些电气快速瞬态事件可以是共模的，即它们以同样的方式影响电路的正侧和负侧。或者它们可以是差模的，即它们对电路两边影响不同。为提供共模浪涌保护，设备必须接地，而差模保护需要设备跨电路安装。电气快速瞬态事件通常是脉冲或尖峰，但地可为连续的过电压。它能影响电路中的任意元件，并且能发生在电路内的任意位置或源自电路上游或下游任意方向。例如，现场总线配置的隔离屏障或分流屏障中的齐纳二极管可能经受电源过电压和现场电缆过电压。

多数已知的浪涌保护设备是分流设备，该分流设备具有跨电路安装中电源和/或通信轨的旁路，并且选择将每个轨旁路到地。保护元件本身主要是快动半导体器件，瞬态吸收器或变阻器(MOV’s)，并且高电流放电的气体、电感器、电阻、电容等的混合以一定方式安排以达到最佳性能和能力。

在每种情况下，保护元件，或元件的串联包括电路中的一个公共的故障点。一些保护元件只用一次，在处理第一次电压浪涌后不期望其工作。然而，根据特定标准，期望另一些保护元件保护电子元件免受电压浪涌达到给定次数。在一些情况下仅只希望在电压浪涌后保护目标电子元件，而不必呈现高阻抗。然而，在所有情况下，当系统故障时，它将不能处于暴露状态或者其将增加电路负荷。后一种情况时现场总线电路是公共故障点，并且电路中所有设备将“消失”。齐纳二极管一般短路，而瞬态电压抑制器(TVS)元件开路，或短路或呈现低阻抗。保护设备的故障也对IEC 61158-2现场总线信号或网络有其它破坏性的影响。

然而，已知的浪涌保护的问题是不知其是否曾经受冲击。甚至在一个看上去无害的静态放电后，也绝对不知道设备经受的电力浪涌的实际次数。因此，没有办法知道浪涌保护器的状态。

而且，如果浪涌保护器经认证或被规定来承受多次电气快速瞬态事件，绝对不能确定已经受过多少次。这就出现了一个特定的问题，由于这种故降的风险不可量化，其中该设备对于电路是公共的故障点并且无法达到负载状态，这是现场总线布置中经常出现的情形。因此，有效的预防或主动维修不可行。

象电池设备那样的浮置设备，可以帮助减少共模电压浪涌的影响。然而，绝大部分电子设备具有一些类型的接地路径，即使其是电容耦合的。另外，不平衡也是问题，并且，在很多情况下，共模电压浪涌会导致差模影响。例如，在差模情况下，由于电缆和/或任意电感性负载的反电动势效应，电缆断开可经常导致高的端电压，其中保护二极管不起作用或已失效。对于高阻抗电源，例如现场总线，反电动势没有有效地被阻止。

监测电路输出端来获得范围广泛的诊断信息是已知的，尤其是对用于处理工厂的现场总线系统。例如，一系列可检测的暂态电流断开可指示间歇的电缆断开，并且该信息可用于警告操作者电弧可能引起工厂爆炸。