RS485總線節(jié)點的瞬態(tài)保護 - 全文

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　　電氣過應力所致功能失靈帶來的工業(yè)網(wǎng)絡故障時間產(chǎn)生的巨額費用使得網(wǎng)絡節(jié)點保護變得非常有必要，特別是靜電放電、電感開關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)抑制測試標準，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 標準：

　　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、繼電器觸點回跳等引起的日常開關瞬態(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：電流和電壓被標準化。若要了解絕對值，請參考實際標準。

　　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。最近的工藝技術進步，才實現(xiàn)了快速、低電容 TVS 二極管的制造。前幾代 TVS 設計表現(xiàn)出來的數(shù)納秒響應時間，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)絡保護。

　　許多現(xiàn)代高精密抑制器設計都具有低至皮秒范圍的響應時間，同時擁有約 10 pF 到100 pF 的電容(具體取決于器件拓撲結構和額定功率)，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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　　圖 3 帶瞬態(tài)保護的 RS-485 總線節(jié)點

　　圖 4 顯示了雙向瞬態(tài)電壓抑制器的對稱電壓-電流 (V-I) 特性。在一些低至切斷電壓 VWM 的低電壓下，瞬態(tài)抑制器帶來了信號線的高阻抗，并且僅有數(shù)微安培的器件漏電流。這種狀態(tài)下，數(shù)據(jù)鏈路必定能夠正常運行。因此，選擇 TVS 用于 RS-485 鏈路時，其切斷電壓必須高于最大總線電壓，其中包括 RS-485 標準規(guī)定接地電位差 (GPD) 的 ± 7V，其必然要求 VWM ≥ 12V。

　　在總線電位超出 TVS 擊穿電壓 VBR 的瞬態(tài)事件中，器件變?yōu)閭鲗Ц唠娏鞯浇拥氐牡妥杩埂５?，它的動態(tài)阻抗會引起器件的壓降，其隨上升電流成比例增加。這種電壓常常表示為可以高達 35V 的鉗位電壓 Vc，其明顯超出了收發(fā)器總線電位的最大額定值。

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　　圖 4 TVS 二極管的 V-I 特性

　　盡管高 ESD 額定值的收發(fā)器可以應對這種短期過應力，但一些較弱的組件會受益于浪涌額定電阻，其以串聯(lián)方式切換至收發(fā)器總線終端(請參見圖 3)。10Ω 到 20Ω 典型取值的電阻器可降低鉗位動作期間流向收發(fā)器的電流，從而最小化對其 ESD 單元的影響。

　　除這些危險的電壓和電流電平以外，現(xiàn)實世界瞬態(tài)還帶來大量的寬帶噪聲。例如，ESD 脈沖的噪聲有大約 3 MHz 到 3 GHz 的頻譜。因此，除瞬態(tài)抑制外，我們還建議利用噪聲濾波和高頻布局方法來確保一個面對電磁干擾 (EMI) 時穩(wěn)健的電路板設計。

　　這些建議將幫助您完成這種設計。在您的電路設計之初就要考慮的瞬態(tài)保護方案包括：

　　使用一個四層印刷電路板，其堆疊順序為：總線信號層、接地層、電源層和控制信號層。

　　將接地層緊挨總線信號層放置，以建立阻抗跟蹤控制，并為返回電流提供低電感通路。

　　將 TVS 二極管盡可能地靠近總線連接器放置，以防止瞬態(tài)滲入電路板電路。

　　將旁路電容器 (10nF – 100nF) 盡可能地靠近電路板上的所有 IC 放置。

　　利用多個過孔(每個終端至少 2 個)將瞬態(tài)抑制器和旁路電容與接地層連接。

　　通過簡單的 R-C 低通濾波器將 EMI 濾波器應用于收發(fā)器的單端側。

　　請注意，因為高頻電流沿最小電感通路傳導，所以大多數(shù)上述建議都以轉(zhuǎn)移通過低電感通路的高頻噪聲為目標。

　　結論

　　一些精密的瞬態(tài)抑制器二極管具備對 RS-485 網(wǎng)絡中所有總線節(jié)點都進行高效保護的能力。盡管有效的瞬態(tài)保護會增加初始設計的成本，但其可以防止未來實地運行故障、網(wǎng)絡停運以及可能出現(xiàn)的產(chǎn)品召回所帶來的高昂費用。