如何保护工业RS-485网络免受故障影响

工业RS－485网络的总线电缆通常与工业直流（DC）电源总线共用一根导管，而且由于电缆接线错误以及电缆剧烈弯曲而引起的绝缘损坏，可能会引起数据与电源导体间短路。在这些故障下保持运行，需要过压保护收发器，其总线端子需具备高于最大可能DC电源电压的高DC与交流（AC）隔离电压。

然而，要保护总线数据线免受更高过电压瞬变（例如雷击）的影响，需要具有特定开关特性的瞬态电压抑制器（TVS）。

本文讨论了过压保护收发器和TVS的组合，其可保护RS－485数据线免受静电（ESD）、瞬态脉冲干扰（EFT）和电涌瞬变的影响，特别是在工业DC总线中，24V额定电压可承受高达36V的电压偏移。

具备过压保护（OVP）的RS－485收发器

如图1所示的收发器能够承受高达±60V的AC和DC过电压。其中，一条总线可保持在＋60V，另一条总线则位于－60V。这样便产生120V的显著差分电压。根据EIA－485，瞬态情况甚至可高达±80V。

被禁用的收发器仅依赖其输出晶体管的高击穿电压，因此很容易承受如此高的电压。但是，过电压通常在最不恰当的时间发生，例如数据传输过程中。在这种情况下，将启用其中一个总线驱动器，将足够的电流延电路泵送，以便远程接收器进行检测。

双折返限流

为了防止对驱动器造成严重损坏，需要一种巧妙的限流方案，使驱动器能够在任何情况下都可以传输数据并在发生故障时限制其电流。受故障保护的收发器具备带双折返电流限制的驱动级，通常提供比RS－485标准所规定更宽的共模范围。

图2显示了图1中受故障保护的收发器的限流功能。它在±20V的宽共模范围内工作。第一个折返电流约为63mA，可确保在整个40V（±20V）共模范围内驱动负载时，驱动器永不折返。然后，较低的第二折返电流电平（约13mA）将过压故障期间的功耗降至最低。这种限流方案可确保即使在共模或过压范围的极端情况下，驱动器输出电流也不会超过RS－485规范。

在发生严重短路的情况下，收发器还提供热关断功能，即在芯片温度过高时禁用驱动器。如此可将功耗降至零，并使芯片冷却。芯片温度下降约15°C后，驱动器将自动重新启用。如果故障仍然存在，则将重复执行热关断／重新启用的循环，直至故障清除。接收器在热关断期间保持可操作状态，且无论驱动器启用、禁用亦或IC掉电，故障保护都处于活动状态。

收发器内部ESD保护

收发器内部ESD保护通过可控硅整流器（SCR）实现。这些设备具有快速回跳而非齐纳（Zener）特性。当外部电压超过其触发电压阈值时，它们开始导通。由于驱动器输出晶体管的击穿电压很高，触发阈值为±70V，以防止在正常操作期间误触发。图3（蓝色）显示了收发器的对称回跳特性。

将触发阈值设置为远远超出操作极限的好处在于可以使用多种TVS设备，这些设备的高钳位电压仍低于触发阈值。

具有高DC隔离度的瞬态电压抑制器（TVS）

许多TVS设备保护三种主要类型的过电压瞬变：ESD、EFT和电涌。但是，为了承受高达36V的直流电势，TVS必须具有相近的工作电压和超过40V的反向击穿电压。请注意，进入TVS的工作电压的泄漏电流要保持在1mA以下。随后发生反向击穿，器件开始轻微导通，电流增加到10mA。

图4表示这种TVS器件，其内部结构由四个电流控制二极管和一个典型反向击穿电压为45V的中心回弹二极管组成。其I－V特性如图3所示。

这种TVS具有高击穿电压和350mW的功率吸收能力，但其占板面积仅为2mmx1mm。端子1和3连接至数据线，而端子2、4和5接地。

有两种接线方式。使用一个TVS保护两条数据线会导致不对称的钳位曲线。为了清晰起见，仅显示了一根导线的电流路径。向A和B导线施加正极性的测试脉冲会导致瞬态电流流过转向二极管和中心回跳器件。对于负脉冲，电流仅流过单个二极管。图3以黑线显示了非对称钳位特性，用引脚1或3至2、4、5表示。

使用两个TVS器件，并于每条数据线放置一个TVS，将产生对称的钳位特性，在图4中用引脚1至3表示。此处未连接接地引脚2、4和5。取而代之的是，I／O端子之一（1或3）连接至数据线，另一端子接地。因此，用于正脉冲和负脉冲的瞬态电流保持对称。

如图3所示，TVS设备的触发阈值低于收发器内部SCR的触发阈值，从而防止了内部与外部保护方案之间的相互作用。

最终电路设计

单个TVS解决方案的非对称钳位极大地限制了收发器在负共模电压下的共模范围。因此，应仅在共模变化较小的应用中使用此解决方案，否则，请各使用一个TVS保护每条线路。，增加的2mm2占板面积让您可以享受完整的±20V共模范围，并确保达到RS－485规范。TVS的另一个好处是其低结电容为4pF（最大值）。这使您可以保护长距离网络中的每个单个节点，也可以保护高速（40Mbps）点对点数据链路，而不会影响信号完整性。

当然，有一些设计技巧可让您主动将过电压瞬变的影响降至最低。回想一下，ESD和EFT脉冲的前半程在较低的纳秒范围内。这些瞬态时间导致了从30Hz到300MHz的频谱范围。因此，设计一个稳健的过电压保护方案就变成了一个RF设计，具备对去耦和低电感返回路径的所有要求。

因此，请确保您的GND和VCC参考平面是没有孔或切口的真实铜平面；这确保了低电感的返回路径。请注意，高频信号遵循的是电感最小的路径，而不是阻抗最小的路径。这需要使用多层板。将信号走线布于顶层，其后分别是接地和VCC平面作为第二层和第三层。底层为路由控制信号，如DE和／RE启用信号。

将TVS器件尽可能靠近板连接器放置，以防止瞬变穿透电路板。设计数据线走线使电流在流向收发器总线端子之前易于先流入TVS。典型的走线设计使用小型V型连接，如图5所示。在靠近收发器及电路板上可能用到的其它IC的电源端子处使用去耦电容器。

最好使用一个电容值进行去耦；可通过并联电容器得到更大的电容值。随着频率的增加，电容器的电抗首先体现为电容性，然后为电感性。应用多个电容值可能会导致一个电容值的电感与另一个电容值的电容形成一个LC槽路，从而导致显著的电磁干扰（EMI）。

TVS器件和去耦电容器至少要使用两个接地过孔，以使过孔电感最小。

结论

过压保护收发器（也称为故障保护收发器）与现代瞬态电压抑制器的结合可缩减过压保护设计的成本与电路板空间，并大大减少设计及开发时间。

瑞萨电子拥有一系列OVP收发器产品，这些收发器与SemtechTVS器件结合使用可为各种应用提供多种瞬态保护解决方案。

关于作者

TomKugelstadt是瑞萨电子美国的高级应用工程师，负责为工业系统定义全新高性能模拟产品。他毕业于法兰克福应用科技大学工程学，在模拟电路设计方面拥有超过35年的专业经验。