2 實現 RS-485 浪涌保護的分立式方法

大多數經典 RS-485 器件雖然在許多標準工業環境下具有穩健性，但仍無法承受差分通信總線引腳上的高壓浪涌而不會損壞。許多工業系統設計人員在面臨此問題時可以采用分立式保護網絡，根據收發器可能承受的浪涌信號的特性，這種網絡的復雜性可能有所不同。不過，在討論常見的分立式保護電路之前，可以討論浪涌信號的評估方法。

許多設計人員在考慮浪涌保護時，需要一種方法來快速量化收到的浪涌保護程度。IEC 61000 4-5 是一項通用標準，也是 TI 會進行評估的標準，該標準是 TVS 二極管、氣體放電管 (GDT) 和金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 等器件用來標準化浪涌抗擾度參數的通用標準。通常使用 1.2/50 – 8/20us 浪涌發生器進行測試，其中電壓波形具有 1.2us 上升時間和 50us 下降時間，電流波形具有 8us 上升時間和 20us 下降時間。該標準支撐了許多器件（包括 TI 的器件）對于浪涌抗擾度的要求。顯示功率隨時間變化的 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

較簡單的保護方案的工作原理是限制電流、鉗制線路電壓和對進入差分線路的峰值浪涌電流進行額外濾波。

圖 2-2 具有基本分立浪涌保護功能的 RS-485 半雙工收發器

在圖 2-2 中，端口的傳入浪涌將限制電流以設置 TVS 二極管的鉗位電壓。了解二極管可以將總線鉗位到預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，因此在浪涌源和總線保護之間設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較短峰值電壓，這進一步提高了節點的整體額定值。TI 的許多 RS-485 數據表建議將 CDSOT23-SM712 二極管與 CRCW0603010RJNEAHP 厚膜電阻器配合使用。

添加基本浪涌保護所必需的兩個電阻器和二極管會在總空間預算中增加幾乎 50% 的 IC 封裝空間。這也不包括布局注意事項，因為這也會導致總設計尺寸增大。TI 僅建議采用上述設計應對大約 ±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，收發器仍可能損壞，因此設計人員必須跟蹤總線的鉗位電壓。除了尺寸增加和收發器的嚴格最大電壓之外，該設計還有另一個缺陷，即浪涌電壓的持續時間必須相對較短。RS-485 保護系統中通常使用的 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行時間過長，二極管可能會損壞，總線上由此產生的電壓尖峰可能會導致收發器和保護器件損壞。

雖然之前討論的簡單保護方法對許多系統大有裨益，但其他系統可能需要更可靠的方法。一種在系統中實現更高級別保護的可靠方法是，除了上述簡單網絡之外，還采用瞬態阻斷單元 (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

圖 2-3 展示了由 TVS 二極管和防脈沖電阻器組成的簡單網絡仍處于與更簡單保護方案中相同的位置。但是，還添加了 TBU 和 MOV 以提高穩健性。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，可以有效地斷開浪涌源的負載，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，以在大浪涌下提供保護。它們無法防止浪涌電流，可能會出現持續電流故障問題。由于這些限制，它們與 TBU 配對，以在主總線上增加電流保護和電壓鉗位。

在大多數浪涌保護 RS-485 系統中，可以找到簡單或復雜的變化，同時可能存在異常值。這兩種設計經過精心測試，可滿足特定的保護需求。但是，電路板上每增加一個元件，設計的復雜性和所需的布板空間就會增加，這可能會給設計人員帶來相當大的壓力，使其無法充分實現所有設計目標。