在這篇文章中，我將介紹如何使用瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管和防脈沖電阻器保護我們的差分總線免受系統級瞬變的影響。
RS-485 等工業(yè)網絡有望在其終端應用中承受嚴酷的系統級瞬變而不會受到損壞。處理過程中的靜電放電 (ESD)、感性負載的中斷、繼電器觸點彈跳和/或雷擊都會造成損壞。我們可以通過在差分總線上添加外部組件來保護我們的工業(yè)設計免受這些瞬態(tài)事件的影響。
在工業(yè)、電力、自動化及儀器儀表實際應用中，RS-485總線標準是目前業(yè)內應用最廣泛的物理層總線設計標準之一。為了確保數據端口能夠在極其惡劣的電磁環(huán)境中正常運行，RS-485端口防護方案必須符合相關的電磁兼容性EMC法規(guī)在RS-485端口的EMC設計中，我們需要做的就是確保數據通信線路不受靜電放電ESD、電快速瞬變EFT和浪涌Surge威脅和損害，想方設法去滿足ESD、EFT、Surge這三種規(guī)范的要求
工業(yè)與儀器儀表(I&I)應用常常需要在距離很遠的多個系統之間傳輸數據。RS-485電氣標準是I&I應用中使用最廣泛的物理層規(guī)范之一，I&I應用包括：工業(yè)自動化、過程控制、電機控制和運動控制、遠程終端、樓宇自動化(暖通空調HVAC等)、安保系統和再生能源等。
使RS-485成為I&I通信應用理想之選的一些關鍵特性如下：
? 長距離鏈路——最長4000英尺;
? 可在一對絞線電纜上雙向通信;
? 差分傳輸可提高共模噪聲抗擾度，減少噪聲輻射;
? 可將多個驅動器和接收器連接至同一總線;
? 寬共模范圍(–7 V至+12 V)允許驅動器與接收器之間存在地電位差異;
? TIA/EIA-485-A允許數據速率達到數十Mbps。
讓我們看看制造商用來測試穩(wěn)健性的國際電工委員會 (IEC) ESD 61000-4-2 系統級 ESD 測試。IEC ESD測試涉及兩種測試方法：接觸放電和空氣放電。接觸 ESD 測試將來自 IEC ESD 槍的 ESD 脈沖直接釋放到被測設備 (DUT) 上。空氣 ESD 放電測試包括將帶電的 ESD 槍移向 DUT，直到空氣分解到足以讓 ESD 沖擊在 ESD 槍和 DUT 之間傳導。IEC ESD 測試同時使用正極和負極進行，并且只有在兩種極性都保持在一個級別上之后才能通過分數。表 1 顯示了 IEC 61000-4-2 ESD 測試電壓和峰值電流水平。
接觸放電 | 排氣 |
等級 | 測試電壓 (kV) | 峰值電流 (A) | 等級 | 測試電壓 (kV) |
1 | 2 | 7.5 | 1 | 2 |
2 | 4 | 15 | 2 | 4 |
3 | 6 | 22.5 | 3 | 8 |
4 | 8 | 30 | 4 | 15 |
* | 特別的 | 特別的 | * | 特別的 |
*這是一個開放的水平。必須在專用設備規(guī)格中指定級別。如果指定的電壓高于所示電壓，我們可能需要特殊的測試設備。
表1 ：IEC 61000-4-2 ESD 測試電壓等級
圖 1 描繪了 IEC ESD 脈沖的基本形狀，并顯示了測試脈沖的時序。
圖1：IEC ESD脈沖電流波形及測試時序
按照以上提及的規(guī)范要求和設計原則，為我們提供三種不同級別的EMC防護解決方案并通過了EMC兼容測試的認證。在RS-485防護方案中，需要用到的電路保護元器件有：
1）TVS二極管陣列SM712
2）過流保護器件
3）瞬變閉鎖單元
4）晶閘管浪涌保護器
5）陶瓷氣體放電管
為了幫助保護我們的工業(yè)設計免受 ESD 事件期間傳遞的高水平能量的影響，我們可以在總線上添加一個 TVS 二極管和防脈沖串聯電阻，以幫助轉移和消耗能量。將 TVS 二極管放置在非常靠近總線線路進入設計的電路板連接器的位置，可確保耦合到總線上的任何瞬態(tài)能量在源點處最小化。TVS 充當鉗位電路，將任何高能脈沖重定向到地，遠離 RS-485 收發(fā)器。
如果 TVS 二極管鉗位電壓高于收發(fā)器總線引腳的指定最大電壓，則在 A 和 B 總線線路上添加串聯防脈沖電阻器會限制收發(fā)器看到的剩余鉗位電流。這些電阻器的值通常非常低（~10-20Ω）。選擇能夠適應適當功率水平的電阻器。
圖 2 顯示了使用SN65HVD82 RS-485 收發(fā)器的這一概念。
圖 2：SN65HVD82 RS-485 瞬態(tài)保護概述
表 2 顯示了SN65HVD82 RS-485 收發(fā)器在添加了外部組件后可實現的性能。
保護方案 | IEC 靜電放電 (kV) | IEC EFT (千伏) | IEC 浪涌 (kV) |
SN65HVD82 |
電視 | ±30 觸點 ±30 空氣 | ±4 | ±1 |
SN65HVD3082E |
電視 | ±14 觸點 ±30 空氣 | ±4 | ±1 |
表 2：測試結果匯總
