2 實(shí)現(xiàn) RS-485 浪涌保護(hù)的分立式方法

大多數(shù)經(jīng)典 RS-485 器件雖然在許多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)環(huán)境下具有穩(wěn)健性，但仍無法承受差分通信總線引腳上的高壓浪涌而不會(huì)損壞。許多工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在面臨此問題時(shí)可以采用分立式保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)收發(fā)器可能承受的浪涌信號(hào)的特性，這種網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性可能有所不同。不過，在討論常見的分立式保護(hù)電路之前，可以討論浪涌信號(hào)的評(píng)估方法。

許多設(shè)計(jì)人員在考慮浪涌保護(hù)時(shí)，需要一種方法來快速量化收到的浪涌保護(hù)程度。IEC 61000 4-5 是一項(xiàng)通用標(biāo)準(zhǔn)，也是 TI 會(huì)進(jìn)行評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是 TVS 二極管、氣體放電管 (GDT) 和金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 等器件用來標(biāo)準(zhǔn)化浪涌抗擾度參數(shù)的通用標(biāo)準(zhǔn)。通常使用 1.2/50 – 8/20us 浪涌發(fā)生器進(jìn)行測試，其中電壓波形具有 1.2us 上升時(shí)間和 50us 下降時(shí)間，電流波形具有 8us 上升時(shí)間和 20us 下降時(shí)間。該標(biāo)準(zhǔn)支撐了許多器件（包括 TI 的器件）對(duì)于浪涌抗擾度的要求。顯示功率隨時(shí)間變化的 0.5kV 和 6kV 浪涌電壓如圖 2-1 所示

圖 2-1 浪涌和 ESD 功率比較

較簡單的保護(hù)方案的工作原理是限制電流、鉗制線路電壓和對(duì)進(jìn)入差分線路的峰值浪涌電流進(jìn)行額外濾波。

圖 2-2 具有基本分立浪涌保護(hù)功能的 RS-485 半雙工收發(fā)器

在圖 2-2 中，端口的傳入浪涌將限制電流以設(shè)置 TVS 二極管的鉗位電壓。了解二極管可以將總線鉗位到預(yù)期浪涌條件下的電平非常重要。通過二極管分流的電流可以直接與總線鉗位電壓相關(guān)，因此在浪涌源和總線保護(hù)之間設(shè)置電流限制非常重要。R1 和 R2 是防脈沖低值電阻器，通常這些電阻器可以是厚膜電阻器或繞線電阻器，大小約為 10Ω。這些電阻器有助于濾除來自總線的持續(xù)較短峰值電壓，這進(jìn)一步提高了節(jié)點(diǎn)的整體額定值。TI 的許多 RS-485 數(shù)據(jù)表建議將 CDSOT23-SM712 二極管與 CRCW0603010RJNEAHP 厚膜電阻器配合使用。

添加基本浪涌保護(hù)所必需的兩個(gè)電阻器和二極管會(huì)在總空間預(yù)算中增加幾乎 50% 的 IC 封裝空間。這也不包括布局注意事項(xiàng)，因?yàn)檫@也會(huì)導(dǎo)致總設(shè)計(jì)尺寸增大。TI 僅建議采用上述設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)大約 ±1kV 浪涌電壓，但較高的浪涌電平可能需要較大的二極管。

了解收發(fā)器能夠檢測到的最大電壓非常重要。如果總線鉗位過高，收發(fā)器仍可能損壞，因此設(shè)計(jì)人員必須跟蹤總線的鉗位電壓。除了尺寸增加和收發(fā)器的嚴(yán)格最大電壓之外，該設(shè)計(jì)還有另一個(gè)缺陷，即浪涌電壓的持續(xù)時(shí)間必須相對(duì)較短。RS-485 保護(hù)系統(tǒng)中通常使用的 TVS 二極管無法承受通過其無限期分流的大量電流。此外，如果二極管在大電流條件下運(yùn)行時(shí)間過長，二極管可能會(huì)損壞，總線上由此產(chǎn)生的電壓尖峰可能會(huì)導(dǎo)致收發(fā)器和保護(hù)器件損壞。

雖然之前討論的簡單保護(hù)方法對(duì)許多系統(tǒng)大有裨益，但其他系統(tǒng)可能需要更可靠的方法。一種在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別保護(hù)的可靠方法是，除了上述簡單網(wǎng)絡(luò)之外，還采用瞬態(tài)阻斷單元 (TBU) 和金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)。

圖 2-3 為 RS-485 總線提供可靠的分立式浪涌保護(hù)

圖 2-3 展示了由 TVS 二極管和防脈沖電阻器組成的簡單網(wǎng)絡(luò)仍處于與更簡單保護(hù)方案中相同的位置。但是，還添加了 TBU 和 MOV 以提高穩(wěn)健性。TBU 顯示為電流限制器和電壓斷開電路。在過壓或過流事件期間，TBU 可以限制通過器件的電流，然后在短暫的延遲后，可以有效地?cái)嚅_浪涌源的負(fù)載，包括 RS-485 器件。MOV 的作用類似于雙向浪涌二極管和總線的額外鉗位級(jí)，以在大浪涌下提供保護(hù)。它們無法防止浪涌電流，可能會(huì)出現(xiàn)持續(xù)電流故障問題。由于這些限制，它們與 TBU 配對(duì)，以在主總線上增加電流保護(hù)和電壓鉗位。

在大多數(shù)浪涌保護(hù) RS-485 系統(tǒng)中，可以找到簡單或復(fù)雜的變化，同時(shí)可能存在異常值。這兩種設(shè)計(jì)經(jīng)過精心測試，可滿足特定的保護(hù)需求。但是，電路板上每增加一個(gè)元件，設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和所需的布板空間就會(huì)增加，這可能會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來相當(dāng)大的壓力，使其無法充分實(shí)現(xiàn)所有設(shè)計(jì)目標(biāo)。