RS-485接口保護(hù)應(yīng)用

1 RS-485系統(tǒng)中處理瞬態(tài)威脅
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(duì)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(chǎng)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(zhǎng)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(guò)程中要能夠承受?chē)?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)用文的目的在于使用線

圖1  三級(jí)防護(hù)方案    

圖2  Bourns? TBU? HSP 瞬態(tài)測(cè)試電路

圖3  28Vrms 電力線串?dāng)_    

圖4 120Vrms 串?dāng)_
路保護(hù)的方案來(lái)滿(mǎn)足不同需求的RS-485接口防護(hù)。Bourns?的線路保護(hù)方案和測(cè)試功能板可以輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員利用 Bourns? TBU? High-Speed Protector (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(lái)實(shí)現(xiàn)其要求。

2 實(shí)現(xiàn)有效的電路防護(hù)
圖表1所示， 三級(jí)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(jí)的防護(hù)。此方案采用TVS次防 護(hù)，Bourns? TBU? HSP用來(lái)協(xié)調(diào)匹配，MOV或者GDT 用于 初級(jí)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(jí) 的防 護(hù) ， 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 優(yōu) 于 單 級(jí)保護(hù)的作用。
3    三級(jí)防護(hù)方案的實(shí)現(xiàn)
圖 1 所 示 三 級(jí) 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。 M OV 或 者 G D T 可 以 保 護(hù) Bourns? TBU? HSP不被 大 的 瞬 態(tài) 電 壓 破 壞 ， 當(dāng) 線 路 中 的 電 流 超

圖5 220Vrms 串?dāng)_  

圖6 1.2/50us 浪涌測(cè)試  

圖7 0.5/700us 浪涌測(cè)試

圖8  使用TBU? HSP處理直流電源故障
過(guò) 了 B o u r n s ? T B U ?    H S P 的 限 制 電 流 ，Bourns? TBU ? H S P 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 R S -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。

4  理解Bourns? TBU? 快速保護(hù)器的工作原理
Bourns? TBU? HSP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。Bourns? TBU? HSP用來(lái)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。Bourns? TBU? HSP具有前所未有的反應(yīng)速度，布線簡(jiǎn)單，封裝尺寸 只有6.5x4mm大小。Bourns? TBU ?   HSP采用表貼的DFN 封 裝，完全符合RoHS 規(guī)范和無(wú)鉛制程。
三 級(jí) 防 護(hù) 的 拓 撲 結(jié) 構(gòu) 可 以 承 受 大 的 瞬 態(tài) 能 量 通 過(guò) Bourns? TBU? HSP 1微秒的反應(yīng)速度以及TVS和MOV/GDT 的主次級(jí)防護(hù)。在正常工作情況下，Bourns? TBU? HSP 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(guò) Bourns? TBU? HSP的觸發(fā)電流時(shí)，TBU? HSP關(guān)斷為高阻狀 態(tài)，有效地截止了瞬態(tài)電流對(duì)RS-485收發(fā)器的影響。Bourns? TBU? HSP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， TVS 二極管和電阻形成的單級(jí)保護(hù)方案可以有效地保護(hù)中低級(jí)別的瞬態(tài)保護(hù)但不法對(duì)電力線串?dāng)_和大電流提供有效保 護(hù)。Bourns? TBU? HSP 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(jí)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(lái)模仿應(yīng)用電路中負(fù)載的特性。

5 三級(jí)防護(hù)線路中正確選擇主次級(jí)保護(hù)器使用初級(jí)保護(hù)器的目的在于保護(hù)Bourns? TBU ?   HSP不 被過(guò)電壓損壞掉,通過(guò)初級(jí)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(jí)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? HSP 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(guò)級(jí)次電壓保護(hù)器。 電 容 值 是 主 次 級(jí) 電 壓 保 護(hù) 器 的 另 外 一 個(gè) 關(guān) 鍵 考 慮 因 素。如果超過(guò)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。

6 瞬態(tài)浪涌測(cè)試數(shù)據(jù)
如下的示波器波形有助于理解Bourns? TBU? HSP在不同 的瞬態(tài)浪涌等級(jí)和電力線串?dāng)_等方面的三級(jí)保護(hù)方案中的性 能。用如圖2 所示的線路進(jìn)行演示，不難發(fā)現(xiàn)次級(jí)的TVS中 流過(guò)的能量已經(jīng)很小,TBU上面流過(guò)的電流相對(duì)于浪涌電流 來(lái)說(shuō)也是微乎其微。
以上所示的電力線串?dāng)_和瞬態(tài)脈沖測(cè)試很好的證明了 TBU? HSP 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(jí)防護(hù)的結(jié)構(gòu)使設(shè)計(jì)者更輕松的選擇主次級(jí)電壓保護(hù)器 來(lái)達(dá)到預(yù)期的保護(hù)效果。

7  使用TBU? HSP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? HSP用在線 路中可以很好的過(guò)流保護(hù)作用并且是多次可恢復(fù)式的。圖8 所示的電路利用P40-G240-WH HSP來(lái)處理±24 V 電源故障。

8 總結(jié)
推薦的三級(jí)防護(hù)方案以Bourns? TBU? HSP為特色提供了一個(gè)性能優(yōu)越于同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的方案。設(shè)計(jì)工程師可以充分利用此方案來(lái)提高RS-485接口的瞬態(tài)浪涌防護(hù)等級(jí)。它具有明顯的抗交流電串?dāng)_、ESD、EFT防護(hù)能力。Bourns 提供 的RS-485接口保護(hù)方案結(jié)合Bourns? TBU? HSP 限制流入的電 壓和能量，加上初級(jí)保護(hù)的GDT或者M(jìn)OV 以及次級(jí)保護(hù)的 TVS二極管使得防護(hù)方案變得簡(jiǎn)單容易。使用Bourns? TBU? HSP的方案可以使RS-485 接口過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)等級(jí)大幅 度提高。