CN110289606A - 一种电梯门机的静电放电防护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电路静电放电防护领域，尤其涉及一种电梯门机的静电放电防护电路，其特征在于：所述静电放电防护电路设于编码器和处理器之间，所述静电放电防护电路包括：第一静电防护单元和第二静电防护单元；所述第一静电防护单元设于时钟信号输出端和时钟信号输入端之间，所述第二静电防护单元设于数据信号输出端和数据信号输入端之间；其中，所述第一静电防护单元包括TVS管D1、第一滤波电路和施密特触发器U1，所述第二静电防护单元包括TVS管D2、第二滤波电路、上拉电阻Rx、施密特触发器U2和第三滤波电路。本发明信号传输损耗低，静电防护效果好。
Description
技术领域
本发明涉及电路静电放电防护领域，尤其涉及一种电梯门机的静电放电防护电路。
背景技术
静电放电(ESD，electrostatic discharge)是生活中一种常见的自然现象；几千年前，古希腊人就发现了摩擦后的琥珀会吸附较轻小的物体，其实这就是摩擦起电的静电现象。进入二十世纪之后，随着工业技术的进步和发展，静电放电造成了各种令人难以预料的工程事故和故障；在化工、石油、炸药和粉体的生产、加工中，由于静电放电的火花引发的恶性事件时有发生。
当两个具有电位差的物体，通过直接接触或静电电场的作用使它们之间的静电电荷发生转移，当静电电场的能量达到一定值时，之间的介质会被击穿而产生放电现象，这就是静电释放的全过程。而在实际测试中的静电释放分为接触放电和空气放电两种，同样能量等级时，前者对静电敏感器件造成的损害更大。
随着电梯数量的不断增长，人们对电梯的安全性也给予了越来越多的关注。而电梯门机作为电梯开关门动作的执行机构，其动作虽然完全由上位机决定，但由于其动作的频繁性，是电梯故障中故障率最高的部件。电梯门机控制系统用于控制开门电机，主要以带有编码器接口的处理器STM32，配合IPM模块控制电梯门机；编码器和处理器STM32之间设有时钟信号线、片选信号线和数据信号线，在开关门过程中，利用编码器实时检测电机的速度和位置，同时采集电机的电流值，将信息反馈至处理器STM32，从而调控电机的运行状态；门机控制系统作为电梯门机的核心部件，能否稳定可靠运行直接影响着电梯门机的正常工作，所以一套优秀可靠的门机控制系统对电梯安全性能的提高至关重要，因此，针对电梯门机的静电防护主要考虑加强控制系统的静电防护；电梯门机控制系统对采集的电机信号的精度要求较高；
静电防护措施从静电产生的过程可以将静电防护措施分为两种：第一种为抑制静电放电，第二种为加强控制系统的静电防护；抑制静电放电这里主要指人体静电防护，要求操作人员穿戴防静电装备，但是这种方法主要针对生产以及实验室的条件下，要求工作人员穿戴；采用抑制静电放电的方法用于电机门机的静电防护并不可行；
控制系统的静电防护主要指加一些静电防护器件，由于静电产生是瞬间高压，静电防护实际上是防止瞬间高压对器件的损坏，目前市场上的该类器件通常使用压敏电阻，压敏电阻采用物理吸收原理，每经过一次静电放电事件，材料就会受到一定物理损伤，形成永久性的漏电通道，静电防护效果差，可靠性低。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种电梯门机的静电放电防护电路，信号传输损耗低，静电防护效果好。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种电梯门机的静电放电防护电路，所述电梯门机设有控制系统，控制系统包括处理器和连接于处理器用于检测电机位置信号和速度信号的编码器，处理器设有时钟信号输出端和数据信号输入端，编码器设有电连接于时钟信号输出端的时钟信号输入端和电连接于数据信号输入端的数据信号输出端，其特征在于：所述静电放电防护电路设于编码器和处理器之间，所述静电放电防护电路包括：第一静电防护单元和第二静电防护单元；所述第一静电防护单元设于时钟信号输出端和时钟信号输入端之间，所述第二静电防护单元设于数据信号输出端和数据信号输入端之间；
其中，所述第一静电防护单元包括TVS管D1、第一滤波电路和施密特触发器U1，所述施密特触发器U1的输入端连接于处理器的时钟信号输出端，所述施密特触发器U1的输出端连接于编码器的时钟信号输入端，所述TVS管D1的负极连接于时钟信号输入端，TVS管D1的正极接地；所述第一滤波电路设于施密特触发器U1输出端和TVS管D1负极之间；
其中，所述第二静电防护单元包括TVS管D2、第二滤波电路、上拉电阻Rx、施密特触发器U2和第三滤波电路；其中，所述第二滤波电路包括磁珠FB；所述磁珠FB一端连接于编码器的数据信号输出端，磁珠FB另一端连接于施密特触发器U2的输入端，施密特触发器U2的输出端连接于处理器的数据信号输入端；所述TVS管D2的负极连接于数据信号输出端，TVS管D2的正极接地；上拉电阻Rx一端连接于施密特触发器U2的输入端，上拉电阻Rx另一端接电源；所述第三滤波电路设于施密特触发器U2输出端和数据信号输入端之间。
按以上方案，所述TVS管D1和TVS管D2均为单向极性，单向极性的TVS管用于直流电路。
按以上方案，第一滤波电路包括电阻R1和电容C1，所述电阻R1一端连接于施密特触发器U1输出端和TVS管D1负极之间，另一端接地；所述电容C1并联于电阻R1两端；电容C1通交隔直，和电阻R1组成的滤波电路用于滤波，将交流信号和高频信号引入地端。
按以上方案，所述第二滤波电路还包括电容C2，所述电容C2一端连接于施密特触发器U2输入端，另一端接地，电阻C2接地通交隔直，用于滤波。
按以上方案，所述第三滤波电路包括电阻R2、电阻R3和电容C3，所述电阻R2和电阻R3串联连接于施密特触发器U2输出端和数据信号输入端之间，所述电容C3一端连接于电阻R2和电阻R3的中间节点，另一端接地；电阻R2、电阻R3和电容C3用于低通滤波。
按以上方案，所述施密特触发器U1和施密特触发器U2的型号均为74LVC14；74LVC14用于信号的整形，可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。
按以上方案，所述静电放电防护电路还包括第三静电防护单元，所述第三静电防护单元和第一静电防护单元的结构相同。
本发明具如下有益效果：
一、编码器和处理器为电梯门机控制系统的核心部分，静电防护电路设于编码器和处理器之间，本发明采用TVS管进行静电防护，TVS管即瞬态抑制二极管是采用的半导体钳位原理，在经历ESD事件，瞬间将能量传递出去，对器件本身并无影响，且响应速度快；TVS管并联在受保护器件电路上的，而且紧靠接口，静电防护效果好；
二、本发明的第一静电防护单元中采用施密特触发器U1对时钟信号进行整形并对整形后后的信号通过第一滤波电路滤波，提高信号的精确性；第二静电防护单元中采用施密特触发器U2对数据信号进行整形，且通过施密特触发器U2前后的第二滤波电路和第三滤波电路进行两级滤波，第二滤波电路中还采用了磁珠对电磁干扰进行抑制，第二静电防护单元中还设有上拉电阻Rx提高了数据信号传输能力，增强电路稳定性；上述技术方案使信号传输损耗低，提高了信号传输精度。
附图说明
图1为本发明实施例整体结构示意图；
图2为本发明另一种实施例结构示意图。
附图标记：
1、第一静电防护单元；101、第一滤波电路；2、第二静电防护单元；201、第二滤波电路；202、第三滤波电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
电梯门机设有控制系统，控制系统包括处理器和连接于处理器用于检测电机位置信号和速度信号的编码器，电机编码器为磁编码器，通过串行数据来传输信息，编码器的接线包括电源线、地线、时钟信号线和数据信号线。参阅图1，对于处理器而言，时钟信号为输出信号，数据信号为输入信号，因此，处理器设有时钟信号输出端OUT1和数据信号输入端IN2，编码器设有电连接于时钟信号输出端OUT1的时钟信号输入端IN1和电连接于数据信号输入端IN2的数据信号输出端OUT2；
本发明为一种电梯门机的静电放电防护电路，该静电放电防护电路设于编码器和处理器之间，静电放电防护电路包括：第一静电防护单元1和第二静电防护单元2；所述第一静电防护单元1设于时钟信号输出端和时钟信号输入端之间，所述第二静电防护单元2设于数据信号输出端和数据信号输入端之间；
第一静电防护单元1包括TVS管D1、第一滤波电路101和施密特触发器U1，所述施密特触发器U1的输入端连接于处理器的时钟信号输出端OUT1，所述施密特触发器U1的输出端连接于编码器的时钟信号输入端IN1，所述TVS管D1的负极连接于时钟信号输入端IN1，TVS管D1的正极接地；第一滤波电路101设于施密特触发器U1输出端和TVS管D1负极之间；第一滤波电路101包括电阻R1和电容C1，电阻R1一端连接于施密特触发器U1输出端和TVS管D1负极之间，另一端接地；电容C1并联于电阻R1两端；本实施例中，施密特触发器U1的型号为74LVC14，TVS管D1为单向极性，电容C1为330PF，电阻R1的阻值为1KΩ。
芯片在封装、运输等过程中，芯片本身会因为摩擦而带电，电荷积聚在衬底中，如果此时与内部核心电路的栅极相连的焊盘接触大地，那么CDM模型的ESD事件则发生；由于CDM模型电压上升时间极短(1ns以内)，往往ESD电荷还没来得及经过设计好的ESD泄放通路泄放，内部核心电路的MS管栅极就有可能已经被击穿。TVS管D1并联在受保护器件编码器线路上且紧靠编码器芯片的接口，当电路正常工作时，TVS管D1处于截止状态(高阻态)，不影响线路正常工作，当电路出现异常过压并达到其击穿电压时，TVS管D1迅速由高阻态变为低阻态，给瞬间高压提供低阻抗导通路径，将能量泄放出去，从而防止编码器免受瞬态高能量的冲击而损坏；当异常过压消失，其恢复至高阻态，时钟信号线导通，电路正常工作。处理器的时钟信号输出端OUT1输出的时钟信号首先经过施密特触发器U1进行信号整形，缩短方波信号的上升沿和下降沿，得到更标准稳定的方波信号，再经过第一滤波电路101后进入编码器的时钟信号输入端IN1，电容C1通交隔直，和电阻R1组成的滤波电路用于滤波，将交流信号和高频信号引入地端。
第二静电防护单元2包括TVS管D2、第二滤波电路201、上拉电阻Rx、施密特触发器U2和第三滤波电路202；其中，所述第二滤波电路201包括磁珠FB；所述磁珠FB一端连接于编码器的数据信号输出端，磁珠FB另一端连接于施密特触发器U2的输入端，施密特触发器U2的输出端连接于处理器的数据信号输入端；所述TVS管D2的负极连接于数据信号输出端，TVS管D2的正极接地；上拉电阻Rx一端连接于施密特触发器U2的输入端，上拉电阻Rx另一端接电源；所述第三滤波电路202设于施密特触发器U2输出端和数据信号输入端之间；第二滤波电路201还包括电容C2，所述电容C2一端连接于施密特触发器U2输入端，另一端接地；第三滤波电路202包括电阻R2、电阻R3和电容C3，所述电阻R2和电阻R3串联连接于施密特触发器U2输出端和数据信号输入端之间，所述电容C3一端连接于电阻R2和电阻R3的中间节点，另一端接地；本实施例中，施密特触发器U2和U1相同，型号为74LVC14，施密特触发器U2和U1引脚的连接方式也相同；TVS管D2为单向极性，磁珠FB的型号为MPZ1608D101BTA00 0603100R，电容C2和电容C3均为330PF，上拉电阻Rx为1KΩ，电阻R2和R3的阻值均为100Ω。
TVS管D2并联在受保护器件编码器线路上且紧靠编码器芯片的接口，其作用和TVS管D1相同，起静电防护作用，编码器的数据信号输出端OUT2输出的数据信号首先经过第二滤波电路201滤波，由于电梯门机编码器为磁编码器，第二滤波电路201的磁珠FB用于抑制电磁干扰，同时用于抑制数据信号线的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉冲的能力；电阻C2接地通交隔直；通过上拉电阻Rx提高了数据信号传输能力，增强数据信号的稳定性；经过上拉电阻Rx上拉的数据信号经施密特触发器U2整形后再次通过第三滤波电路202滤波后进入处理器的数据信号输入端IN2；编码器检测的电机的位置信号和速度信号形成数据信号，测量的数据信号精度对电机的控制效果影响很大，因此获取到数据信号后通过第二滤波电路201首先滤波再通过上拉电阻Rx，经施密特触发器U2整形后的数据信号再次经过第三滤波电路202低通滤波，前后两级滤波提高了数据信号的精度。
通常情况下，静电防护需对电梯门机中电气设备的所有端口进行静电防护，但电梯门机的供电设备为强电，对静电放电的敏感度较低，不会造成器件损坏；因此本发明仅对电梯门机的控制系统进行防护，节省成本。
目前已有的ESD保护电路实现方法较为复杂，版图的面积消耗也比较大，而本发明的电路实现简单，几乎不用消耗额外的版图面积。TVS管可以很方便地与其它器件集成在一个电路中，不但减少设计所采用的器件数目降低成本，而且也避免PCB板上布线时易诱发的伴生自感，不影响信号的传输精度。
若编码器有片选信号线，编码器和处理器之间还设有第三静电防护单元，对于处理器而言，片选信号和时钟信号均为输出信号，因此第三静电防护单元和第一静电防护单元1的电路结构相同。
在另一种实施例中，参阅图2，上一种实施例的基础上，在靠近处理器的时钟信号输出端OUT1和数据信号输入端IN2的接口也分别并联TVS管，时钟信号线上和数据信号线上前后设有两个TVS管；由于静电防护电路在产生ESD事件时，有可能会留下较高的残留电压输送至编码器或处理器，也可能因为静电位置的不确定性，也容易造成静电引入编码器或处理器，因此通过前后两级TVS管共同防护，可以将静电残压控制得更低；同时，当静电发生时，前后两级TVS管可以保证静电通过最短的路径导入低，进一步减少了对编码器或处理器的影响，静电防护效果好。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种电梯门机的静电放电防护电路，所述电梯门机设有控制系统，控制系统包括处理器和连接于处理器用于检测电机位置信号和速度信号的编码器，处理器设有时钟信号输出端和数据信号输入端，编码器设有电连接于时钟信号输出端的时钟信号输入端和电连接于数据信号输入端的数据信号输出端，其特征在于：所述静电放电防护电路设于编码器和处理器之间，所述静电放电防护电路包括：第一和第二静电防护单元(2)；所述第一静电防护单元(1)设于时钟信号输出端和时钟信号静电防护单元(1)输入端之间，所述第二静电防护单元(2)设于数据信号输出端和数据信号输入端之间；
其中，所述第一静电防护单元(1)包括TVS管D1、第一滤波电路(101)和施密特触发器U1，所述施密特触发器U1的输入端连接于处理器的时钟信号输出端，所述施密特触发器U1的输出端连接于编码器的时钟信号输入端，所述TVS管D1的负极连接于时钟信号输入端，TVS管D1的正极接地；所述第一滤波电路(101)设于施密特触发器U1输出端和TVS管D1负极之间；
其中，所述第二静电防护单元(2)包括TVS管D2、第二滤波电路(201)、上拉电阻Rx、施密特触发器U2和第三滤波电路(202)；其中，所述第二滤波电路(201)包括磁珠FB；所述磁珠FB一端连接于编码器的数据信号输出端，磁珠FB另一端连接于施密特触发器U2的输入端，施密特触发器U2的输出端连接于处理器的数据信号输入端；所述TVS管D2的负极连接于数据信号输出端，TVS管D2的正极接地；上拉电阻Rx一端连接于施密特触发器U2的输入端，上拉电阻Rx另一端接电源；所述第三滤波电路(202)设于施密特触发器U2输出端和数据信号输入端之间。
2.根据权利要求1所述的电梯门机的静电放电防护电路，其特征在于：所述TVS管D1和TVS管D2均为单向极性。
3.根据权利要求1所述的电梯门机的静电放电防护电路，其特征在于：第一滤波电路(101)包括电阻R1和电容C1，所述电阻R1一端连接于施密特触发器U1输出端和TVS管D1负极之间，另一端接地；所述电容C1并联于电阻R1两端。
4.根据权利要求1所述的电梯门机的静电放电防护电路，其特征在于：所述第二滤波电路(201)还包括电容C2，所述电容C2一端连接于施密特触发器U2输入端，另一端接地。
5.根据权利要求1所述的电梯门机的静电放电防护电路，其特征在于：所述第三滤波电路(202)包括电阻R2、电阻R3和电容C3，所述电阻R2和电阻R3串联连接于施密特触发器U2输出端和数据信号输入端之间，所述电容C3一端连接于电阻R2和电阻R3的中间节点，另一端接地。
6.根据权利要求1所述的电梯门机的静电放电防护电路，其特征在于：所述施密特触发器U1和施密特触发器U2的型号均为74LVC14。
7.根据权利要求1所述的电梯门机的静电放电防护电路，其特征在于：所述静电放电防护电路还包括第三静电防护单元，所述第三静电防护单元和第一静电防护单元(1)的结构相同。
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