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如何避免浪涌對通訊總線的影響?

作者:ZLG致遠(yuǎn)電子 時間:2018-01-12 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  各位工程師在工業(yè)通訊現(xiàn)場,最擔(dān)心的是通訊網(wǎng)絡(luò)因產(chǎn)生的瞬態(tài)過壓和過流,導(dǎo)致通訊網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)發(fā)送錯誤信號甚至系統(tǒng)癱瘓的現(xiàn)象,為避免這一類事故的發(fā)生,在前期設(shè)計中應(yīng)如何進(jìn)行防護(hù)呢?這里將為你揭曉。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201801/374382.htm

  一、簡介

  在工業(yè)通訊現(xiàn)場,雷電過電壓、落雷引發(fā)出的誘導(dǎo)雷,還有電源系統(tǒng)(特別是帶很重的感性負(fù)載)開關(guān)切換引起的浪涌,這些浪涌產(chǎn)生的瞬態(tài)過壓和過流,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)癱瘓甚至使元器件發(fā)出錯誤的信號,會給用戶帶來很大的損失?,F(xiàn)在防雷、防浪涌和防過電壓這些都是設(shè)計必須考慮的因素,今天小編就和大家聊一聊常用總線防浪涌保護(hù)的那些事兒。

  通常所說的防浪涌,有兩個類型:一個是共模,一個差模。雷電或大電流切換時產(chǎn)生的浪涌一般是共模的,差模形式的浪涌往往是由于數(shù)據(jù)電纜附近有高壓線經(jīng)過,數(shù)據(jù)線纜和高壓線之間因絕緣不良而產(chǎn)生的,雖然差模比共模產(chǎn)生的電壓和電流小得多,但它不像共模那樣只維持很短的時間,而會在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中較長時間內(nèi)穩(wěn)定存在。光耦或磁耦器件標(biāo)稱的耐壓是共模,也就是前端到后端之間的耐壓。如果超過這個耐壓,前端后端都一起燒壞;元器件不會標(biāo)稱差模的耐壓,差模耐壓能力由電路的設(shè)計決定,差模電壓超過電路承受范圍,前端燒壞,后端不會燒壞。

  二、常規(guī)浪涌防護(hù)方案——分立方案

  防浪涌電路通常分為隔離法和規(guī)避法。隔離法就是采用光耦合器或磁耦合器,將輸入和輸出信號隔離分開,只要浪涌產(chǎn)生的電壓幅值不超過器件標(biāo)稱的值,光耦或磁耦就不會損壞,即使浪涌電壓長時間存在也不會對隔離的設(shè)備產(chǎn)生損害。這類隔離法只能抑制共模形式的浪涌,不能抑制差模形式的浪涌。(這里說的浪涌,主要是由于落雷而發(fā)生的誘導(dǎo)雷浪涌、電路系統(tǒng)內(nèi)浪涌等,直擊雷不屬于討論范圍)。

  規(guī)避法就是主設(shè)備的地連在一起形成單點(diǎn)接地,一旦有浪涌出現(xiàn)就可安全轉(zhuǎn)移浪涌能量,此外有必要增加一些抑制浪涌的器件。能將浪涌所產(chǎn)生的有害電流在到達(dá)數(shù)據(jù)端口前泄放到地回路中去的器件,主要有Tvs管、壓敏電阻、氣體放電管,它們都有一個鉗位電壓,一旦超過該鉗位電壓,器件就會在連接點(diǎn)之間產(chǎn)生一個低阻抗,從而轉(zhuǎn)移有害的電流。

  如果將隔離法和規(guī)避法相結(jié)合,就可以更好地保護(hù)系統(tǒng)。規(guī)避器件一方面可抑制浪涌保護(hù)隔離器件,也可以抑制總線上產(chǎn)生的差模形式浪涌。隔離器件抑制共模形式浪涌,保護(hù)主設(shè)備。兩者相輔相成,能夠更好地保護(hù)總線設(shè)備。

  舉個例子,CAN的接口防護(hù)一般是在收發(fā)器外加隔離保護(hù)器件,如光耦、磁耦等。為接口設(shè)計方便,我們可以使用一體化的收發(fā)器模塊,和自主搭建電路比,使用方便,簡化電路,環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。這類加隔離模塊防共模浪涌設(shè)計比較常見就不多做贅述了。這里重點(diǎn)談一下增加差模形式浪涌防護(hù)的方法。常用規(guī)避保護(hù)的器件有GDT、TVS以及共模電感。如圖1所示,GDT被放置于接口最前端,提供第一級的雷擊浪涌防護(hù)。當(dāng)雷擊、浪涌產(chǎn)生時,GDT瞬間達(dá)到低阻狀態(tài),為瞬時大電流提供泄放通道,將CAN_H、CAN_L間電壓鉗制在二十幾伏范圍內(nèi)。后端的TVS提供第二級浪涌防護(hù),具體規(guī)格可根據(jù)需求選擇。

    

  圖1增加防差模形式浪涌功能的CAN接口電路

  三、高效浪涌防護(hù)方案——模塊方案

  上圖所示的接口電路雖然能夠提供有效的防護(hù),但是需要引入較多的電子器件,這也就意味著接口電路將占用更多的PCB空間,若器件參數(shù)選擇不合適易造成EMC問題。有沒有更好的辦法呢?致遠(yuǎn)電子已經(jīng)為小伙伴們設(shè)計了專業(yè)的信號浪涌抑制器SP00S12,這種小體積模塊采用灌封材料,結(jié)合致遠(yuǎn)隔離模塊,使電路輕松滿足IEC61000-4-5 ±4KV 的浪涌等級要求,可用于各種信號傳輸系統(tǒng),抑制雷擊、浪涌、過壓等有害信號,對設(shè)備信號端口進(jìn)行保護(hù),非常適合于CAN、 RS-485 等通信領(lǐng)域的浪涌防護(hù)。具體如下圖。

    

  圖2 CAN總線模塊防浪涌應(yīng)用電路

  同樣道理,為 SP00S12 應(yīng)用于 RSM485PHT 串口通信中, 將 SP00S12 的信號端口與 RSM485PHT 模塊的差分信號端口 A、 B 連接,則可使 485 通信端口滿足 IEC61000-4-5 ±4KV 的浪涌等級要求。

    

  圖3 485模塊防浪涌應(yīng)用電路

  四、方案總結(jié)對比

  總結(jié)一下,各個方法的特點(diǎn)基本上是這樣的:

    

  表1 方案特點(diǎn)比較

  針對電子、電氣設(shè)備浪涌保護(hù)設(shè)備,其實早就有據(jù)可依。IEC 61000-4-5就規(guī)定了設(shè)備對由開關(guān)和雷電瞬變過電壓引起的單極性浪涌的抗擾度要求、實驗方法和推薦的實驗等級范圍。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個一致的實驗方法,以評價設(shè)備和系統(tǒng)對規(guī)定對象的抗擾度。目的就是建立一個共同的基準(zhǔn),以評價電氣和電子設(shè)備在遭受浪涌時的性能。

  接下來做一下浪涌抗擾度測試,檢驗一下浪涌抑制器是否滿足 IEC61000-4-5±4KV 防護(hù)要求,測試配置依據(jù) IEC61000-4-5 中非屏蔽對稱通信線進(jìn)行測試,具體測試電路如圖 1 所示。 測試過程中向浪涌抑制器施加不同等級浪涌電壓,在其信號輸入輸出端測量電壓波形。

    

  圖4 共模浪涌抗干擾度實驗

  以共模浪涌測試為例,在 SP00S12 浪涌抑制器的 A2、 B2 端施加如圖 2(a) 所示的 4KV、 1.2/50μs 浪涌電壓,在輸出端 A1、 B1 測試?yán)擞侩妷喝鐖D 2(b)所示,浪涌電壓已被被降低至 17.1V

    

  圖5 輸入浪涌電壓波形 3.94KV

    

  圖6 浪涌抑制器輸出端波形 17.1V



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