RS485總線節(jié)點的瞬態(tài)保護

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　　電氣過應(yīng)力所致功能失靈帶來的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)故障時間產(chǎn)生的巨額費用使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點保護變得非常有必要，特別是靜電放電、電感開關(guān)和雷擊所引起的電氣瞬態(tài)的保護。因此，國際電工委員會 (IEC) 定義了三種瞬態(tài)抑制測試標(biāo)準(zhǔn)，旨在保證測試期間和測試后電路的正確運行。

　　本文簡要介紹了這些測試，并建議使用工業(yè) RS-485 線纜和低電容瞬態(tài)電壓抑制器為您的網(wǎng)絡(luò)保護提供一種最有效的方法。

　　瞬態(tài)抑制測試系列

　　我們將討論三種 IEC 標(biāo)準(zhǔn)：

　　靜電放電 (ESD) 抗擾度 (IEC61000-4-2)

　　電氣快速瞬態(tài) (EFT) 抗擾度，或猝發(fā)抗擾度 (IEC61000-4-4)

　　浪涌抗擾度 (IEC61000-4-5)

　　ESD 測試模擬了人體的靜電放電對電子設(shè)備的影響。ESD 發(fā)生器產(chǎn)生的測試脈沖為短歷時(100ns 以下)脈沖，并有一個約 1ns 的快速上升時間。盡管這種測試脈沖為低能量，但可以形成許多毀滅性的高電流，其足以毀壞一個收發(fā)器的內(nèi)部保護電路。一個最小 ESD 測試序列由 20 次放電、10 個正極脈沖、10 個負極脈沖，以及每個脈沖之間的一秒暫停間隔組成。

　　猝發(fā)測試模擬了電感開關(guān)、繼電器觸點回跳等引起的日常開關(guān)瞬態(tài)。相比單測試脈沖的 ESD 測試，猝發(fā)發(fā)生器會產(chǎn)生一個完整序列的測試脈沖(稱作一個猝發(fā))。每個猝發(fā)包括約 15000 個瞬態(tài)。一個完整測試序列的六個 10s 猝發(fā)(相互之間的暫停間隔為 10s)可在一分鐘內(nèi)產(chǎn)生數(shù)百萬次脈沖。一次單脈沖持續(xù)時間很短(請參見圖 1b)，因此能量較低，但這種對收發(fā)器完全無休止的瞬態(tài)轟擊，會給其內(nèi)部保護單元帶來巨大的挑戰(zhàn)。

　　浪涌測試是所有測試中最嚴格的測試，因為它模擬了雷電引起的開關(guān)瞬態(tài)。浪涌發(fā)生器產(chǎn)生的瞬態(tài)比 ESD 或猝發(fā)瞬態(tài)長約 1000 倍。另外，發(fā)生器的低源阻抗允許高壓下的高浪涌電流，從而代表高能量脈沖。由于其高能量成份，測試序列一般由五次正浪涌脈沖和五次負浪涌脈沖(一分鐘或更短時間脈沖之間存在時間間隔)組成。

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　　圖 1 ESD(左)、猝發(fā)(中間)和浪涌脈沖(右)舉例

　　注釋：電流和電壓被標(biāo)準(zhǔn)化。若要了解絕對值，請參考實際標(biāo)準(zhǔn)。

　　保護總線節(jié)點

　　選擇低成本的 CAT5 工業(yè) RS-485 線纜或者平帶 (flat-band) 線纜可以消除引入總線線路的主要瞬態(tài)能量。Belden 3107A(請參見圖 2)等線纜具有編織屏蔽作用，可以極大地降低耦合至信號導(dǎo)線中的噪聲。更低的信號線噪聲，意味著對下列保護電路的瞬態(tài)影響更小。

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　　圖 2 具有屏蔽和加蔽線的工業(yè) RS-485 線纜

　　圖 2 所示工業(yè) RS-485 線纜是單雙工及半雙工數(shù)據(jù)鏈路的理想選擇。它允許將一個信號對用作總線信號線，而另一個信號對用作接地線，從而降低瞬態(tài)電流返回通路的電感。其他一些好處還包括線纜的 120 歐姆額定特性阻抗。這樣便可保證阻抗匹配 RS-485 收發(fā)器開關(guān)特性和加蔽線的添加，從而允許線纜屏蔽的簡單接地。請注意，應(yīng)該僅在一個線纜末端接地，更好的選擇是在最接近單接地參考總線接地基準(zhǔn)的末端。

　　圖 3 顯示了一個具有瞬態(tài)電壓抑制器二極管 (TVS) 保護的典型 RS-485 節(jié)點電路的簡化示意圖。最近的工藝技術(shù)進步，才實現(xiàn)了快速、低電容 TVS 二極管的制造。前幾代 TVS 設(shè)計表現(xiàn)出來的數(shù)納秒響應(yīng)時間，對于 ESD 和猝發(fā)瞬態(tài)的快速上升時間來說都太慢。另外，其電容負載超出了每 TVS 器件 1000 nF，其在數(shù)據(jù)速率未降至極低水平的情況下，并不具備有效的多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)保護。

　　許多現(xiàn)代高精密抑制器設(shè)計都具有低至皮秒范圍的響應(yīng)時間，同時擁有約 10 pF 到100 pF 的電容(具體取決于器件拓撲結(jié)構(gòu)和額定功率)，從而實現(xiàn)單總線節(jié)點保護。

　　在差動數(shù)據(jù)信號中，例如：RS-485等，一般要求三個瞬態(tài)抑制器來模擬有效的現(xiàn)實世界瞬態(tài)保護：兩個 TVS 器件用于實現(xiàn)共模瞬態(tài)(出現(xiàn)在 A 線路及接地和 B 線路及接地之間)保護，第三個 TVS 用于抑制 A 線路和 B 線路之間的差動瞬態(tài)。

　　作為 RS-485 連接器的螺旋式接線柱，將傳輸線纜連接至收發(fā)器 (XCVR)。三個瞬態(tài)電壓抑制器二極管 (TVS) 用于消除 A 線路及接地和 B 線路及接地之間的共模瞬態(tài)，以及 A 和 B 之間的差動瞬態(tài)。

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