Bourns RS-485系統(tǒng)瞬態(tài)浪涌防護(hù)解決方案

　　其中RS-485差分通信接口將送/收之信號(hào)線結(jié)合，共同使用同一對(duì)傳輸線， 傳輸線總長(zhǎng)度更可達(dá)1.5公里之譜，具有因應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信節(jié)點(diǎn)多、位置分散、通信距離遠(yuǎn)及使用最少線材等要求，故非常適合應(yīng)用于工廠的程控；又由于程控系統(tǒng)設(shè)計(jì)之安裝和調(diào)試過程中需承受嚴(yán)苛條件，在瞬態(tài)浪涌和雷擊等條件下亦要能夠繼續(xù)工作；基于此，美商柏恩Bouns設(shè)計(jì)出一個(gè)完整解決方案如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）等，協(xié)助設(shè)計(jì)工程師有效提高RS-485接口的瞬態(tài)浪涌防護(hù)等級(jí)。

　　RS-485常應(yīng)用于樓宇自動(dòng)售貨機(jī)，安防監(jiān)控系統(tǒng)等，其特點(diǎn)為短距離傳輸時(shí)速度為35Mbps,長(zhǎng)距離時(shí)速度可達(dá)100 kbps. RS-485系統(tǒng)更堅(jiān)固于其他傳輸形式，其信號(hào)采用二線制的差分信號(hào)，即一條導(dǎo)線上的電壓是另一條導(dǎo)線電壓的取反值，接收器輸入電壓為兩跟導(dǎo)線電壓的差值，由于兩條線路傳遞之電流大小相同、方向相反故具有較強(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)的電壓使它比其他通信網(wǎng)路和系統(tǒng)更加堅(jiān)固。

　　但由于外界環(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)在線產(chǎn)生，而在長(zhǎng)距離傳輸中亦容易發(fā)生線錯(cuò)接或短路等問題，這都將導(dǎo)致其性能下降而影響到整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

　　每個(gè)串口設(shè)計(jì)都要服從推薦的電壓范圍，RS-485 定義了保護(hù)的多少當(dāng)其電壓超過-7V到12V.如果環(huán)境要求總線要承受24V,那么額外的保護(hù)措施是必要且需符合其原有標(biāo)準(zhǔn)。美國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)。具體器件選擇取決于實(shí)際應(yīng)用及工作電路之具體要求。

　　RS-485 界面的防護(hù)

　　次級(jí)保護(hù)方案

　　RS-485之電路保護(hù)解決方案常包含一個(gè)TVS二極管數(shù)組，這種單級(jí)保護(hù)方案可有效地嵌位信號(hào)總線上瞬態(tài)的脈沖電流。Bourns的CDSOT23-SM712為單顆雙向組件，當(dāng)電壓超過了-7V到12V時(shí)，提供RS-485過電壓保護(hù)；TVS二極管和一個(gè)串聯(lián)電阻Rx的網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)低等級(jí)的保護(hù)，適合RS-485系統(tǒng)之室內(nèi)應(yīng)用。而其封裝方式采用100%錫制接點(diǎn)，并與無鉛制程兼容，符合許多工業(yè)和政府關(guān)于無鉛零組件的規(guī)范。

　　三級(jí)防護(hù)方案

　　隨著瞬態(tài)能量增加，單級(jí)保護(hù)方案則顯得不足；在任何形式的線路中，電力線串?dāng)_和高能量脈沖皆為明顯之挑戰(zhàn)，TVS二極管及電阻所形成之單級(jí)保護(hù)方案，僅能抵擋中低級(jí)別瞬態(tài)電壓，但電力線串?dāng)_與大電流發(fā)生時(shí)，則無法發(fā)揮保護(hù)功能；此時(shí)，采用TVS次極防護(hù)，搭配Bourns TBU HSP用來協(xié)調(diào)匹配，MOV或者GDT用于初級(jí)保護(hù)之三級(jí)防護(hù)模式提供絕佳解決方案，大大提升RS-485防護(hù)等級(jí)。

　　三級(jí)防護(hù)模式不僅能夠?qū)崿F(xiàn)較大瞬態(tài)能量的保護(hù)，對(duì)于傳輸距離影響最小，更節(jié)省所需之版面空間，解決主板面到臨空間不足的問題。該防護(hù)方案利用不同元器件相互協(xié)同合作達(dá)到有效的電路防護(hù)。MOV或GDT之作用為保護(hù)Bourns TBU HSP免于瞬態(tài)電壓之破壞；Bourns TBU HSP則可限制過大電流流入后端設(shè)備之中，當(dāng)線路中電流超過Bourns TBU HSP之電流限制，該原件將于1微秒之內(nèi)啟動(dòng)其保護(hù)機(jī)制，；TVS二極管則搭著RS-485傳輸器嵌位其電壓，使得RS-485信號(hào)在規(guī)定之電壓信號(hào)范圍內(nèi)正常運(yùn)作。如下圖（圖1）所示：

圖1

理解Bourns TBU 快速保護(hù)器的工作原理

　　Bourns TBU HSP電路保護(hù)解決方案，可防阻來自電路的短路故障、交流電搭接、交流電串?dāng)_及雷擊浪涌之威脅。Bourns TBU HSP之TBU-CA系列為低容值、單路雙向、可自動(dòng)恢復(fù)、高速線路組件， 采用了高壓MOSFET半導(dǎo)體工藝。該組件擁有快速反應(yīng)能力，可于1微秒間啟動(dòng)防護(hù)機(jī)制，有較寬之工作頻段、布線簡(jiǎn)單、體積小，封裝尺寸僅6.5x4mm,并采用表面黏貼之DFN封裝，完全符合RoHS規(guī)范和無鉛制程。

　　結(jié)合TVS和MOV/GDT的主次級(jí)防護(hù)，使RS-485接受較高等級(jí)之保護(hù)； 當(dāng)瞬態(tài)電流增加超過Bourns TBU HSP觸發(fā)電流時(shí)，該裝置將處于高阻狀態(tài)，有效截?cái)嗨矐B(tài)電流對(duì)RS-485收發(fā)器的影響。

　　Bourns TBU HSP能夠解決版面空間之不足之挑戰(zhàn)，于極小貼片封裝，有效提供265V電壓及20KA以上之浪涌電流保護(hù)。如下圖：

圖2

　　三級(jí)防護(hù)線路中正確選擇主次級(jí)保護(hù)器

　　初級(jí)保護(hù)方案在于保護(hù)Bourns TBU HSP不受過電壓毀損，通過初級(jí)保護(hù)器之電壓箝位與泄放之涌浪電流將小于組件之額定通電流，其以IEC61000-4-5定義之瞬態(tài)威脅為基礎(chǔ)

　　次級(jí)保護(hù)方案之電壓選擇比需保證RS-485 收發(fā)器不受大于其最大承受電壓的威脅，故將只有很小的電流通過級(jí)次電壓保護(hù)器。

　　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；其為主次級(jí)電壓保護(hù)器之外，另一考慮因素，故估算數(shù)據(jù)線和連接器的最大容值將決定所用保護(hù)器件之容值大小。