中心議題：
- RS-485 介紹及RS-485 接口規(guī)格
- TBU-P40-G TVS 如何提供有效的線路防護(hù)
- RS-485 接口三級防護(hù)方案的實(shí)現(xiàn)
- Bourns® TBU® 高速保護(hù)器的工作原理
- 三級防護(hù)線路中主次級保護(hù)器的選型
- 瞬態(tài)浪涌測試數(shù)據(jù)
應(yīng)用RS-485 差分通信接口的程序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在安裝和調(diào)試過程中要能夠承受嚴(yán)苛的條件，需要在瞬態(tài)浪涌和雷擊等條件下也可以繼續(xù)工作。如何使用合適的線路保護(hù)的方案來滿足不同需求的RS-485 接口防護(hù)，使電路設(shè)計(jì)更加簡單，防護(hù)等級更高？閱讀本文，學(xué)習(xí)巧用TBU高速保護(hù)(HSP), MOV(金屬氧化物壓敏電阻)，GDT(氣體放電管)，TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）恰當(dāng)組合實(shí)現(xiàn)要求。
現(xiàn)今的程序控制架構(gòu)和閉環(huán)回路系統(tǒng)發(fā)展為許多串行支路,其采用點(diǎn)對點(diǎn),多路或者是多點(diǎn)系統(tǒng). 串行支路的距離從幾米到一千米以上.數(shù)據(jù)傳送協(xié)議包括TIA/EIA-485, TIA/EIA-232,TIA/EIA-422, 現(xiàn)場總線,CAN 總線, PROBUS, INTERBUS 和LVDS.它們都可以和不同的遙控器件進(jìn)行通信,這些通信器件包括傳感器,制動(dòng)器,監(jiān)視器. RS-485 差分通信接口用于長距離并且要抗共模干擾的通信傳輸,尤其適合于在工廠的程序控制. 程序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在其安裝和調(diào)試過程中要能夠承受嚴(yán)苛的條件,在瞬態(tài)浪涌和雷擊等條件下也可以繼續(xù)工作.這個(gè)應(yīng)用文檔的目的在于如果使用線路保護(hù)的方案來滿足不同需求的RS-485 接口防護(hù)。美國柏恩Bourns的線路保護(hù)方案和測試功能板可以輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員利用BournsTBU高速保護(hù)器(HSP), MOV(金屬氧化物壓敏電阻)，GDT(氣體放電管)，TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）來實(shí)現(xiàn)其要求。
RS-485 簡介
RS-485 是一種工業(yè)通信接口，其特點(diǎn)是在短距離傳輸時(shí)速度可以到35Mbps,長距離時(shí)速度可以到達(dá)100 kbps.由于外界環(huán)境或者大的感性負(fù)載等原因，瞬態(tài)脈沖和浪涌也會(huì)在其數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生，尤其是在長距離傳輸中還很容易遇到線錯(cuò)接或者短路等突發(fā)問題，這些問題都會(huì)使其性能下降而影響到整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。RS-485 通常被應(yīng)用于樓宇自動(dòng)售貨機(jī)，安防監(jiān)控系統(tǒng)等。
RS-485 系統(tǒng)固有的優(yōu)勢能比較堅(jiān)固于許多其它的傳輸形式，它的信號(hào)采用二線制的差分信號(hào)，聯(lián)系于參考電壓，這個(gè)參考電壓通常（但不全是）是地電位。RS-485 具有較強(qiáng)的抗共模干擾能力，例如地干擾或者馬達(dá)的感應(yīng)噪聲等。同時(shí)它采用較高于常用通信系統(tǒng)的電壓使它比其它通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)更加堅(jiān)固。例如以太網(wǎng)信號(hào)是2V，通用的USB 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是5V， 而RS-485 允許的共模電壓為-7V 到+12V，它的壓降即使是在較長的傳輸節(jié)點(diǎn)上也是可以接受的，而不需要增加額外的昂貴器件。
RS-485 接口規(guī)格
表一詳細(xì)的說明了RS-485 接口的規(guī)范。主要的參數(shù)包括-7V 到+12V 的工作電壓，32Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸速度已經(jīng)1200 米的傳輸距離等。一個(gè)完全兼容的RS-485 接口必須符合 IEC61000-4-2（靜電），IEC61000-4-4（群脈沖）和 IEC61000-4-5 （浪涌）標(biāo)準(zhǔn)。
每個(gè)串口設(shè)計(jì)都要服從正常的推薦的電壓范圍，RS-485 定義了保護(hù)的多少當(dāng)其電壓超過了-7V 到12V。如果環(huán)境要求總線要承受24V，那么額外的保護(hù)措施是必要的并且還要符合其原有的標(biāo)準(zhǔn)。美國柏恩(Bourns) 可以提供各種不同種類的過電流，過電壓線路保護(hù)技術(shù)。具體的器件選擇取決于實(shí)際應(yīng)用和工作電路的具體要求。
RS-485 接口的防護(hù)
通常情況下采用的RS-485的保護(hù)方案包括一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器二極管陣列，如使用美國柏恩(Bourns® )的CDSOT23-SM712， 這個(gè)單顆雙向的器件為RS-485提供了異步過電壓保護(hù)當(dāng)其超過-7V到+12V的共模電壓范圍。如果RS-485系統(tǒng)不是室外使用，瞬態(tài)電壓抑制器陣列可能就可以滿足保護(hù)的要求。
TBU-P40-G TVS 如何提供有效的線路防護(hù)
單極的瞬態(tài)電壓抑制器二極管可以有效地嵌位信號(hào)總線上瞬態(tài)的脈沖電流。Ipp是瞬態(tài)電壓抑制器二極管能承受的最大的電流。二極管暴露在較高的瞬態(tài)電壓下，要考慮加載在它上面的電流大小，一定要保證其不能超過額定的最大電流。如圖1 所示，瞬態(tài)電壓抑制器和一個(gè)串聯(lián)電阻Rx的網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)低等級的保護(hù)，當(dāng)瞬態(tài)電壓增加時(shí)，二極管和串聯(lián)電阻的額定功率也隨之增加也保證能限制二極管中的電流要低于額定的最大電流。瞬態(tài)能量是關(guān)于脈沖寬度，持續(xù)時(shí)間和瞬態(tài)斜率dv/dt 的函數(shù)。大多數(shù)瞬態(tài)電壓抑制器的規(guī)格書中都會(huì)提供瞬間脈沖功率Ppp 在8/20us 或10/1000us的數(shù)值。除此之外，瞬態(tài)電壓抑制器的規(guī)格書中還會(huì)提供一個(gè)對數(shù)關(guān)系的曲線圖表來描述不同脈沖寬度下瞬態(tài)電壓抑制器的性能表現(xiàn)。
隨著瞬態(tài)能量的增加，這種單級保護(hù)方案的不足會(huì)凸顯出來。 例如當(dāng)串聯(lián)電阻的功率增加來限制瞬態(tài)電壓抑制器的電流時(shí)，電阻自身上的壓降會(huì)影響正常工作時(shí)的信號(hào)傳輸水平。從而也會(huì)影響其通信環(huán)路的傳輸距離。這時(shí)我們可以用三級防護(hù)的模式來做到較大瞬態(tài)能量的保護(hù)，使其對傳輸距離影響最小，占用的版面空間也最小。
下頁內(nèi)容：三級防護(hù)方案的實(shí)現(xiàn)、TBU® 高速保護(hù)器的工作原理
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實(shí)現(xiàn)有效的電路防護(hù)
圖表2 所示，三級防護(hù)方案提供了最佳的方案。它使RS-485 收發(fā)器承受更高等級的防護(hù)。此方案采用瞬態(tài)電壓抑制器次極防護(hù)，美國柏恩(Bourns® ) TBU®高速保護(hù)器用來協(xié)調(diào)匹配，金屬氧化物壓敏電阻或者氣體放電管用于初級保護(hù)各個(gè)保護(hù)元器件協(xié)同合作，可以使RS-485 更加強(qiáng)壯，承受更高等級的防護(hù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單級保護(hù)的作用。
三級防護(hù)方案的實(shí)現(xiàn)
圖2 所示三級防護(hù)方案協(xié)同合作達(dá)到保護(hù)的目的。選擇不同的元器件實(shí)現(xiàn)其瞬態(tài)保護(hù)在接口瞬態(tài)能量注入的地方。金屬氧化物壓敏電阻或者氣體放電管可以保護(hù)TBU®高速保護(hù)器不被大的瞬態(tài)電壓破壞，當(dāng)線路中的電流超過了TBU®高速保護(hù)器的限制電流，美國柏恩(Bourns® ) TBU®高速保護(hù)器會(huì)在1 微秒之內(nèi)限制電流流入后端設(shè)備，TVS 二極管僅靠著RS-485 傳輸器可以很好的嵌位其電壓，使RS-485 信號(hào)在其規(guī)定的電壓信號(hào)內(nèi)正常傳輸。
理解Bourns® TBU® 高速保護(hù)器的工作原理
美國柏恩(Bourns® ) TBU® 高速保護(hù)器的TBU-CA 系列產(chǎn)品是低容值，單路雙向，高速線路保護(hù)器件，采用了高壓MOSFET 半導(dǎo)體工藝。TBU® 高速保護(hù)器用來保護(hù)電路的短路故障，交流電搭接，交流電串?dāng)_，雷擊浪涌，并且可以恢復(fù)使用。TBU® 高速保護(hù)器具有前所未有的反應(yīng)速度，布線簡單，封裝尺寸只有6.5x4mm 大小。美國柏恩(Bourns® )TBU® 高速保護(hù)器采用表貼的DFN 封裝，完全符合RoHS 規(guī)范和無鉛制程。
三級防護(hù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以承受大的瞬態(tài)能量通過TBU® 高速保護(hù)器 1微秒的反應(yīng)速度以及TVS和金屬氧化物壓敏電阻/氣體放電管的主次級防護(hù)。在正常工作情況下，TBU® 高速保護(hù)器表現(xiàn)為一定電阻特性串聯(lián)在工作線路中。當(dāng)瞬態(tài)電流增加超過TBU® HSP的觸發(fā)電流時(shí)，TBU®高速保護(hù)器關(guān)斷為高阻狀態(tài)，有效地截止了瞬態(tài)電流對RS-485收發(fā)器的影響。美國柏恩(Bourns® ) TBU® 高速保護(hù)器的響應(yīng)速度非常迅速一般在1us 之內(nèi)，并且擁有較寬的工作頻段。在任何形式的線路中，電力線串?dāng)_和高能量脈沖都是一個(gè)明顯的挑戰(zhàn)，尤其是在有限的版面空間下。如前所述，瞬態(tài)電壓抑制器二極管和電阻形成的單級保護(hù)方案可以有效地保護(hù)中低級別的瞬態(tài)保護(hù)但不法對電力線串?dāng)_和大電流提供有效保護(hù)。美國柏恩(Bourns® ) TBU®高速保護(hù)器可在很小的貼片封裝里有效的抵擋265V 的電壓和20KA 以上的浪涌電流。為演示三級防護(hù)方案的防護(hù)能力采用圖三所示的線路，100 歐姆的負(fù)載電阻在實(shí)際電路中不需要使用。此線路用來模仿應(yīng)用電路中負(fù)載的特性。
三級防護(hù)線路中正確選擇主次級保護(hù)器
使用初級保護(hù)器的目的在于保護(hù)美國柏恩(Bourns® )TBU® 高速保護(hù)器不被過電壓損壞掉,通過初級保護(hù)器的電壓嵌位或者泄放的脈沖電流一定要小于器件的額定通流量.Isurge=Vgenerator/Rgenerator, Isurge 以IEC61000-4-5 中規(guī)定的瞬態(tài)威脅為基礎(chǔ)。次級電壓保護(hù)器的電壓選擇必須保證RS-485 收發(fā)器不受大于其最大承受電壓的威脅。由于TBU® 高速保護(hù)器是小于1 微秒的快速響應(yīng)速度，所以只有很小的電流通過級次電壓保護(hù)器。電容值是主次級電壓保護(hù)器的另外一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。如果超過了傳輸界面允許的最大電容值，那么節(jié)點(diǎn)的帶寬就會(huì)受到相應(yīng)的限制。這個(gè)電容值是數(shù)據(jù)線，連接器和線路保護(hù)器件的影響總和。能估算到的數(shù)據(jù)線和連接器的最大容值將決定你所用保護(hù)器件的容值大小。
瞬態(tài)浪涌測試數(shù)據(jù)
如下的示波器波形有助于理解TBU®高速保護(hù)器在不同的瞬態(tài)浪涌等級和電力線串?dāng)_等方面的三級保護(hù)方案中的性能.用如圖3 所示的線路進(jìn)行演示,不難發(fā)現(xiàn)次級的瞬態(tài)電壓抑制器中流過的能量已經(jīng)很小,TBU 上面流過的電流相對于浪涌電流來說也是微乎其微。
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以上所示的電力線串?dāng)_和瞬態(tài)脈沖測試很好的證明了TBU® 高速保護(hù)器在線路中限制負(fù)載電流的快速響應(yīng)性能。 此外這種三級防護(hù)的結(jié)構(gòu)使設(shè)計(jì)者更輕松的選擇主次級電壓保護(hù)器來達(dá)到預(yù)期的保護(hù)效果。
使用TBU®高速保護(hù)器處理直流電源故障
工業(yè)通信系統(tǒng)中直流總線用于繼電器控制或者制動(dòng)器是非常普遍的。當(dāng)直流電源總線錯(cuò)誤安裝或者錯(cuò)誤搭接在RS-485 的差分信號(hào)線上時(shí)，其后果非常嚴(yán)重。TBU® 高速保護(hù)器用在線路中可以很好的過流保護(hù)作用并且是多次可恢復(fù)式的。圖9 所示的電路利用P40-G240-WH 高速保護(hù)器來處理±24 V 電源故障。
使用TBU® 高速保護(hù)器處理直流電源故障
圖9 使用TBU® 高速保護(hù)器處理直流電源故障TBU®高速保護(hù)器上電壓超過 Vreset (典型值為7V)，TBU® HSP 為呈現(xiàn)出高阻狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生直流電源故障時(shí)，晶閘管（TISP4015L1BJ）用于泄放故障電流。通過TBU® 高速保護(hù)器上面的24V 電壓超過了P40-G240-WH 的Vreset， 使其進(jìn)入保護(hù)模式。當(dāng)24V 的故障被排除，TBU® 高速保護(hù)器會(huì)重置，RS-485 會(huì)重新正常工作。P40-G240-WH 可以處理不超過40V 的電源故障。
結(jié)合圖3 的瞬態(tài)浪涌保護(hù)方案和圖9 的直流電源故障方案，快速的瞬態(tài)浪涌保護(hù)和交直流電力線串?dāng)_可以用圖10 所示的方案完好的實(shí)現(xiàn)。
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圖10 中，在氣體放電管用來處理大的能量脈沖的同時(shí)，金屬氧化物壓敏電阻用于ESD/EFT 的防護(hù)，這樣可以防止TBU-CA085 上高于850V的電壓。在P40-G240 前，背靠背的二極管用于保護(hù)P40-G240-WH，使線上電壓不超過40V。 直流電源故障依靠晶閘管（TISP4015L1BJ）和P40-G240-WH 協(xié)作防護(hù)。
Bourns RS-485 應(yīng)用測試板
我們有兩種使用了TBU-CA 系列的測試板供給廣大用戶。RS-485 測試板1 是使用了氣體放電管的方案，它可以支持寬的帶寬（信號(hào)損耗較少），因?yàn)闅怏w放電管的極間電容小于1pf. RS-485 測試板2 可以在10MHZ 以上的信號(hào)系統(tǒng)中使用，它的主級保護(hù)器使用的是金屬氧化物壓敏電阻,它可以提供一個(gè)低成本的RS-485 方案，通流能力可以達(dá)到2.5KA。這兩個(gè)方案可以給客戶提供一個(gè)比較靈活的選擇。
總結(jié)
推薦的三級防護(hù)方案以美國柏恩(Bourns® ) TBU®高速保護(hù)器為特色提供了一個(gè)性能優(yōu)越于同類競爭對手的方案。設(shè)計(jì)工程師可以充分利用此方案來提高RS-485 接口的瞬態(tài)浪涌防護(hù)等級。它具有明顯的抗交流電串?dāng)_，ESD，EFT 防護(hù)能力。美國柏恩提供的RS-485 接口保護(hù)方案結(jié)合柏恩 TBU®高速保護(hù)器限制流入的電壓和能量,加上初級保護(hù)的氣體放電管或者金屬氧化物壓敏電阻以及次級保護(hù)的TVS 二極管使得防護(hù)方案變得簡單容易.使用TBU® 高速保護(hù)器的方案可以使RS-485 接口過壓保護(hù)和過流保護(hù)等級大幅度提高.
