Bourns RS-485系統瞬態(tài)浪涌防護解決方案

　　其中RS-485差分通信接口將送/收之信號線(xiàn)結合，共同使用同一對傳輸線(xiàn)， 傳輸線(xiàn)總長(cháng)度更可達1.5公里之譜，具有因應工業(yè)現場(chǎng)通信節點(diǎn)多、位置分散、通信距離遠及使用最少線(xiàn)材等要求，故非常適合應用于工廠(chǎng)的程控；又由于程控系統設計之安裝和調試過(guò)程中需承受?chē)揽翖l件，在瞬態(tài)浪涌和雷擊等條件下亦要能夠繼續工作；基于此，美商柏恩Bouns設計出一個(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)助設計工程師有效提高RS-485接口的瞬態(tài)浪涌防護等級。

　　RS-485常應用于樓宇自動(dòng)售貨機，安防監控系統等，其特點(diǎn)為短距離傳輸時(shí)速度為35Mbps,長(cháng)距離時(shí)速度可達100 kbps. RS-485系統更堅固于其他傳輸形式，其信號采用二線(xiàn)制的差分信號，即一條導線(xiàn)上的電壓是另一條導線(xiàn)電壓的取反值，接收器輸入電壓為兩跟導線(xiàn)電壓的差值，由于兩條線(xiàn)路傳遞之電流大小相同、方向相反故具有較強的抗共模干擾能力，例如地干擾或者馬達的感應噪聲等。同時(shí)它采用較高于常用通信系統的電壓使它比其他通信網(wǎng)路和系統更加堅固。

　　但由于外界環(huán)境或者大的感性負載等原因，瞬態(tài)脈沖和浪涌也會(huì )在其數據在線(xiàn)產(chǎn)生，而在長(cháng)距離傳輸中亦容易發(fā)生線(xiàn)錯接或短路等問(wèn)題，這都將導致其性能下降而影響到整個(gè)系統的數據傳輸。

　　每個(gè)串口設計都要服從推薦的電壓范圍，RS-485 定義了保護的多少當其電壓超過(guò)-7V到12V.如果環(huán)境要求總線(xiàn)要承受24V,那么額外的保護措施是必要且需符合其原有標準。美國Bourns可以提供各種不同種類(lèi)的過(guò)電流，過(guò)電壓線(xiàn)路保護技術(shù)。具體器件選擇取決于實(shí)際應用及工作電路之具體要求。

　　RS-485 界面的防護

　　次級保護方案

　　RS-485之電路保護解決方案常包含一個(gè)TVS二極管數組，這種單級保護方案可有效地嵌位信號總線(xiàn)上瞬態(tài)的脈沖電流。Bourns的CDSOT23-SM712為單顆雙向組件，當電壓超過(guò)了-7V到12V時(shí)，提供RS-485過(guò)電壓保護；TVS二極管和一個(gè)串聯(lián)電阻Rx的網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現低等級的保護，適合RS-485系統之室內應用。而其封裝方式采用100%錫制接點(diǎn)，并與無(wú)鉛制程兼容，符合許多工業(yè)和政府關(guān)于無(wú)鉛零組件的規范。

　　三級防護方案

　　隨著(zhù)瞬態(tài)能量增加，單級保護方案則顯得不足；在任何形式的線(xiàn)路中，電力線(xiàn)串擾和高能量脈沖皆為明顯之挑戰，TVS二極管及電阻所形成之單級保護方案，僅能抵擋中低級別瞬態(tài)電壓，但電力線(xiàn)串擾與大電流發(fā)生時(shí)，則無(wú)法發(fā)揮保護功能；此時(shí)，采用TVS次極防護，搭配Bourns TBU HSP用來(lái)協(xié)調匹配，MOV或者GDT用于初級保護之三級防護模式提供絕佳解決方案，大大提升RS-485防護等級。

　　三級防護模式不僅能夠實(shí)現較大瞬態(tài)能量的保護，對于傳輸距離影響最小，更節省所需之版面空間，解決主板面到臨空間不足的問(wèn)題。該防護方案利用不同元器件相互協(xié)同合作達到有效的電路防護。MOV或GDT之作用為保護Bourns TBU HSP免于瞬態(tài)電壓之破壞；Bourns TBU HSP則可限制過(guò)大電流流入后端設備之中，當線(xiàn)路中電流超過(guò)Bourns TBU HSP之電流限制，該原件將于1微秒之內啟動(dòng)其保護機制，；TVS二極管則搭著(zhù)RS-485傳輸器嵌位其電壓，使得RS-485信號在規定之電壓信號范圍內正常運作。如下圖（圖1）所示：

圖1

理解Bourns TBU 快速保護器的工作原理

　　Bourns TBU HSP電路保護解決方案，可防阻來(lái)自電路的短路故障、交流電搭接、交流電串擾及雷擊浪涌之威脅。Bourns TBU HSP之TBU-CA系列為低容值、單路雙向、可自動(dòng)恢復、高速線(xiàn)路組件， 采用了高壓MOSFET半導體工藝。該組件擁有快速反應能力，可于1微秒間啟動(dòng)防護機制，有較寬之工作頻段、布線(xiàn)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規范和無(wú)鉛制程。

　　結合TVS和MOV/GDT的主次級防護，使RS-485接受較高等級之保護； 當瞬態(tài)電流增加超過(guò)Bourns TBU HSP觸發(fā)電流時(shí)，該裝置將處于高阻狀態(tài)，有效截斷瞬態(tài)電流對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，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。如下圖：

圖2

　　三級防護線(xiàn)路中正確選擇主次級保護器

　　初級保護方案在于保護Bourns TBU HSP不受過(guò)電壓毀損，通過(guò)初級保護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

　　次級保護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(guò)級次電壓保護器。

　　電容值是數據線(xiàn)，連接器和線(xiàn)路保護器件的影響總和；其為主次級電壓保護器之外，另一考慮因素，故估算數據線(xiàn)和連接器的最大容值將決定所用保護器件之容值大小。