在制造和過程控制操作中提高速度和產品產量的挑戰在于控制系統智能。雖然先進的軟件技術和算法創新提供了實現工業 4.0 效率的能力，但系統硬件必須可靠運行。如果不這樣做，中斷將減慢制造和控制過程或對產量產生負面影響。任何一種情況都會導致成本增加。工業 4.0 系統的智能可編程邏輯控制器 （PLC） 必須具有高可靠性才能實現工業 4.0 的優勢。因此，PLC 需要防止電流過載、電壓瞬變和靜電放電 （ESD）。

本文通過提供組件和技術來保護 PLC 電路免受危險的過載、瞬態和 ESD 的影響，指導電子工程師和設計人員了解提高可靠性的方法。此外，本文還提供了降低 PLC 功耗的電子元件建議。較低的功耗可減少 PLC 中的熱量積聚，從而有助于提高產品可靠性。

工業 4.0 系統

圖 1 展示了工業 4.0 系統的元素。監控、控制和數據收集系統的核心是 PLC，它根據來自工廠車間的輸入控制系統。它傳輸有關制造過程、制造測試、機器狀態和質量控制的關鍵數據。工業物聯網網關傳輸數據，接收來自中央指揮中心的命令，然后將所有數據存儲在數據中心和云端。

圖 1：工業 4.0 制造系統（來源：Littelfuse Inc.）

PLC 概述

PLC 是一種專門用于監視和控制操作的專用計算機。由于這些計算機在具有大型電動設備、溫暖的溫度和空氣中的制造殘留物的制造環境中運行，因此 PLC 必須比通用計算機更強大。

圖 2 顯示了 PLC 的一般框圖。框圖右側的表格列出了可以保護 PLC 免受過流條件、高壓瞬變和 ESD 等危害的組件類型。該表還包括可以降低 PLC 功耗的組件。以下段落介紹了特定電路塊中每個組件的需求，并就其特性提供了建議。

圖 2：PLC 框圖（來源：Littelfuse Inc.）

保護 PLC 電路塊

以下是一些保護 PLC 電路塊免受過流和瞬態電壓影響的建議。

電源

電源將交流線路電壓轉換為 24 VDC，從而運行電路。電源會受到交流線路上的電流過載和電壓瞬變的影響。電流過載可能來自交流線路上的浪涌，電壓瞬變可能來自大型電機的開關或閃電。因此，電源需要電流過載保護和電壓瞬變保護。

延時保險絲將提供交流線路電流過載保護，并避免由于電流瞬變造成的令人討厭的停機。尋找至少 250 VAC 的額定電壓，以便在 230 VAC 電源線上使用。此外，確保保險絲的電流中斷額定值至少為 50 A。選擇符合 UL/CSA 248 低壓保險絲的保險絲。

使用金屬氧化物壓敏電阻 （MOV） 或保護晶閘管-MOV 組合來吸收交流線路上感應的高壓瞬變，以延長 MOV 的使用壽命。選擇能夠承受超過 400 J 能量并吸收高達 10，000 A 浪涌電流的 MOV。請注意，某些 MOV 包含額外的保護功能。如果 MOV 因異常大的過電壓而開始過熱，該熱元件通過斷開與引線的連接來保護 MOV。

考慮添加一個與 MOV 串聯的保護晶閘管。保護晶閘管-MOV 組合允許選擇較低額定電壓的 MOV，并能夠將瞬態鉗位在較低電壓。保護晶閘管是一種撬棒型器件，通過在納秒內開啟來響應瞬態過電壓。與單獨的 MOV 相比，該保護組合具有更低的泄漏電流，并提高了最終產品的可靠性和使用壽命。

為了對敏感半導體進行最佳保護，請考慮用瞬態電壓抑制器 （TVS） 二極管替換晶閘管-MOV 組合。通過 MOV 或保護晶閘管-MOV 組合的過電壓的任何部分將被進一步吸收并鉗位在低電壓。TVS 二極管：

在 1 ps 以下的極快時間內響應瞬態電壓

可安全吸收高達 600 W 的瞬態峰值脈沖功率

可安全吸收高達 100 A 的浪涌電流

承受 30 kV 的 ESD 沖擊

有單向和雙向模型

使用聚合物正溫度系數 （PPTC） 可復位保險絲對電源模塊中的功率因數校正 （PFC） 電路進行過流保護。對于許多額定電流，這些器件具有低內阻（低于 10 mΩ）。PPTC 保險絲具有快速跳閘時間，通常低于 5 秒，并且使用與 0402 外形尺寸一樣小的表面貼裝封裝，占用的 PC 板 （PCB） 空間最小。

延時熔斷器、串聯保護晶閘管-MOV、TVS二極管和PPTC熔斷器的組合將確保電源電路得到徹底保護。

DC/DC轉換器

DC/DC 轉換器將 24 VDC 轉換為控制和輸入輸出電路塊所需的電壓，通常為 5 V 和 3.3 V。如果 24 VDC 直接為 PLC 供電，則 DC/DC 轉換器需要保護免受過流和瞬態條件的影響，這些條件會在未受保護的 24 VDC 線路上傳播。對于過流保護，請使用符合 IEC 60127-2 微型保險絲的延時保險絲。考慮一個表面貼裝 TVS 二極管來吸收和鉗位瞬態電壓。表面貼裝版本可承受高達 3，000 W 的峰值脈沖功率和 300 A 的峰值浪涌電流。

輸入模塊

輸入模塊將數字和模擬輸入信號轉換為應用處理器可以讀取的電平和數字化值。由于輸入信號來自外部環境，它們可能攜帶危險的瞬變。使用雙向或單向型 TVS 二極管來保護輸入模塊免受瞬態過壓的影響。可安全吸收 600 W 脈沖功率和 100 A 浪涌電流的型號可為輸入模塊提供適當的保護。

保護 PLC 電路塊免受 ESD 影響

顯示/用戶界面和無線通信電路塊

顯示器/用戶界面和無線通信電路與外部環境連接，可能會暴露于 ESD 造成的危險瞬變。顯示器/用戶界面與操作人員有聯系，而無線通信天線可以吸引來自外部環境的 ESD 沖擊。

考慮一個 TVS 二極管陣列，該陣列由兩個陽極連接到陽極的二極管組成，如圖 3 所示。該二極管可以承受 ±12 kV 直接接觸的 ESD 沖擊，以保護顯示器/用戶界面中的觸摸屏半導體。該二極管陣列還可以保護無線通信電路免受高達 ±18 kV 的空中 ESD 沖擊。此外，這種二極管陣列具有低于 0.1 pF 的低電容，以避免無線傳輸和接收的性能下降。

圖 3：用于 ESD 保護的陽極到陽極 TVS 二極管陣列示意圖（來源：Littelfuse Inc.）

用于無線通信電路的 TVS 二極管陣列的替代方案是聚合物 ESD （PESD） 保護器件。PESD 組件可以承受 ±15 kV 的空中 ESD 沖擊。它們具有 0.25 pF 的低電容和低于 10 nA 的典型泄漏電流。PESD 元件型號采用小型 0402 表面貼裝封裝。

有線通信電路塊

有線通信電路塊還需要保護免受 ESD 沖擊。推薦的方法取決于 PLC 使用的通信協議。有關以太網、以太網供電、USB、RS-232 和 RS-485 通信端口保護的信息，請參閱Littelfuse.com 上的“通用端口保護”演示文稿。

通過降低功耗最大限度地提高效率

在電源模塊的開關模式電源中，研究肖特基勢壘整流器以最大限度地提高效率并降低功耗。它們可實現快速開關，從而實現更高效的高頻開關模式電源電路。尋找具有低于 1 V 的低正向壓降、低于 1 mA 的低反向電流和高達 10，000 V/μs 的 dV/dt 的肖特基整流器。圖 4 顯示了具有共陰極連接的半橋肖特基二極管對。使用雙二極管封裝以節省 PCB 空間。

圖 4：共陰極、半橋肖特基對的示意圖（來源：Littelfuse Inc.）

電源模塊中的 PFC 電路通過保持電壓和電流彼此同相并減少電流諧波來減少 PLC 消耗的總電流。使用有源 PFC，晶體管充當開關來控制流向 LC 網絡的電流。考慮使用 MOSFET。為了最大限度地提高 PFC 電路的效率，請選擇具有以下特性的 MOSFET：

低 R DS（on），值低于 150 mΩ

低柵極電荷，低于 50 nC

dV/dt 至少為 50 V/ns

這些參數可實現高效、低功耗、快速切換。

在 PFC 電路中，考慮使用 SiC 肖特基二極管以獲得更高的效率。肖特基功率二極管的正向電壓低，約為 1.5 V，在高工作溫度下通過電流高達 8 A。該二極管具有低漏電流（通常低于 15 μA）和用于快速開關的低恢復時間。

優化控制和最大化可靠性

在輸出模塊中使用固態繼電器來驅動執行器、電機、閥門和其他設備。考慮一個具有低于 10 mA 的低開啟電流的光隔離繼電器，以降低功耗。尋找具有零電壓開關的型號，以將電磁干擾和射頻干擾降至最低。此外，尋找高達 5，000 V rms的光隔離，以確保控制和負載電路之間的隔離和抗噪性。此外，固態繼電器有助于實現高可靠性和長壽命。

實現工業 4.0 的好處

保護 PLC、提高其效率并增強其可靠性不需要很多組件。幸運的是，設計工程師可以利用組件制造商來幫助他們為 PLC 設計選擇合適的保護和高效控制組件。組件制造商的應用工程師可以：

幫助設計人員選擇最具成本效益的保護和控制組件

為遵守適用的 PLC 安全和性能標準提供指導

執行預符合性測試（由一些制造商提供）以幫助在標準符合性測試之前識別問題

與組件制造商合作可以為設計工程師節省大量的開發時間和合規性測試成本。結果是一個強大、可靠的 PLC，既能防止過流和瞬態電壓，又能提高效率。這樣的 PLC 將使工業 4.0 的好處得以實現。