如何避免浪涌對通訊總線(xiàn)的影響？

　　各位工程師在工業(yè)通訊現場(chǎng)，最擔心的是通訊網(wǎng)絡(luò )因浪涌產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)壓和過(guò)流，導致總線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )出現發(fā)送錯誤信號甚至系統癱瘓的現象，為避免這一類(lèi)事故的發(fā)生，在前期設計中應如何進(jìn)行防護呢?這里將為你揭曉。

　　一、浪涌簡(jiǎn)介

　　在工業(yè)通訊現場(chǎng)，雷電過(guò)電壓、落雷引發(fā)出的誘導雷浪涌，還有電源系統(特別是帶很重的感性負載)開(kāi)關(guān)切換引起的浪涌，這些浪涌產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)壓和過(guò)流，從而導致數據總線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )癱瘓甚至使元器件發(fā)出錯誤的信號，會(huì )給用戶(hù)帶來(lái)很大的損失?，F在防雷、防浪涌和防過(guò)電壓這些都是總線(xiàn)設計必須考慮的因素，今天小編就和大家聊一聊常用總線(xiàn)防浪涌保護的那些事兒。

　　通常所說(shuō)的防浪涌，有兩個(gè)類(lèi)型：一個(gè)是共模，一個(gè)差模。雷電或大電流切換時(shí)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據電纜附近有高壓線(xiàn)經(jīng)過(guò)，數據線(xiàn)纜和高壓線(xiàn)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(shí)間，而會(huì )在數據通信網(wǎng)絡(luò )中較長(cháng)時(shí)間內穩定存在。光耦或磁耦器件標稱(chēng)的耐壓是共模，也就是前端到后端之間的耐壓。如果超過(guò)這個(gè)耐壓，前端后端都一起燒壞;元器件不會(huì )標稱(chēng)差模的耐壓，差模耐壓能力由電路的設計決定，差模電壓超過(guò)電路承受范圍，前端燒壞，后端不會(huì )燒壞。

　　二、常規浪涌防護方案——分立方案

　　防浪涌電路通常分為隔離法和規避法。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(kāi)，只要浪涌產(chǎn)生的電壓幅值不超過(guò)器件標稱(chēng)的值，光耦或磁耦就不會(huì )損壞，即使浪涌電壓長(cháng)時(shí)間存在也不會(huì )對隔離的設備產(chǎn)生損害。這類(lèi)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(shuō)的浪涌，主要是由于落雷而發(fā)生的誘導雷浪涌、電路系統內浪涌等，直擊雷不屬于討論范圍)。

　　規避法就是主設備的地連在一起形成單點(diǎn)接地，一旦有浪涌出現就可安全轉移浪涌能量，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數據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(gè)鉗位電壓，一旦超過(guò)該鉗位電壓，器件就會(huì )在連接點(diǎn)之間產(chǎn)生一個(gè)低阻抗，從而轉移有害的電流。

　　如果將隔離法和規避法相結合，就可以更好地保護系統。規避器件一方面可抑制浪涌保護隔離器件，也可以抑制總線(xiàn)上產(chǎn)生的差模形式浪涌。隔離器件抑制共模形式浪涌，保護主設備。兩者相輔相成，能夠更好地保護總線(xiàn)設備。

　　舉個(gè)例子，CAN的接口防護一般是在收發(fā)器外加隔離保護器件，如光耦、磁耦等。為接口設計方便，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(jiǎn)化電路，環(huán)境適應性更強。這類(lèi)加隔離模塊防共模浪涌設計比較常見(jiàn)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的方法。常用規避保護的器件有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。當雷擊、浪涌產(chǎn)生時(shí)，GDT瞬間達到低阻狀態(tài)，為瞬時(shí)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。后端的TVS提供第二級浪涌防護，具體規格可根據需求選擇。

　　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，但是需要引入較多的電子器件，這也就意味著(zhù)接口電路將占用更多的PCB空間，若器件參數選擇不合適易造成EMC問(wèn)題。有沒(méi)有更好的辦法呢?致遠電子已經(jīng)為小伙伴們設計了專(zhuān)業(yè)的信號浪涌抑制器SP00S12，這種小體積模塊采用灌封材料，結合致遠隔離模塊，使電路輕松滿(mǎn)足IEC61000-4-5 ±4KV 的浪涌等級要求，可用于各種信號傳輸系統，抑制雷擊、浪涌、過(guò)壓等有害信號，對設備信號端口進(jìn)行保護，非常適合于CAN、 RS-485 等通信領(lǐng)域的浪涌防護。具體如下圖。

　　圖2 CAN總線(xiàn)模塊防浪涌應用電路

　　同樣道理，為 SP00S12 應用于 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(mǎn)足 IEC61000-4-5 ±4KV 的浪涌等級要求。

　　圖3 485模塊防浪涌應用電路

　　四、方案總結對比

　　總結一下，各個(gè)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、電氣設備浪涌保護設備，其實(shí)早就有據可依。IEC 61000-4-5就規定了設備對由開(kāi)關(guān)和雷電瞬變過(guò)電壓引起的單極性浪涌的抗擾度要求、實(shí)驗方法和推薦的實(shí)驗等級范圍。標準規定了一個(gè)一致的實(shí)驗方法，以評價(jià)設備和系統對規定對象的抗擾度。目的就是建立一個(gè)共同的基準，以評價(jià)電氣和電子設備在遭受浪涌時(shí)的性能。

　　接下來(lái)做一下浪涌抗擾度測試，檢驗一下浪涌抑制器是否滿(mǎn)足 IEC61000-4-5±4KV 防護要求，測試配置依據 IEC61000-4-5 中非屏蔽對稱(chēng)通信線(xiàn)進(jìn)行測試，具體測試電路如圖 1 所示。 測試過(guò)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(shí)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 測試浪涌電壓如圖 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