2 实现 RS-485 浪涌保护的分立式方法

大多数经典 RS-485 器件虽然在许多标准工业环境下具有稳健性，但仍无法承受差分通信总线引脚上的高压浪涌而不会损坏。许多工业系统设计人员在面临此问题时可以采用分立式保护网络，根据收发器可能承受的浪涌信号的特性，这种网络的复杂性可能有所不同。不过，在讨论常见的分立式保护电路之前，可以讨论浪涌信号的评估方法。

许多设计人员在考虑浪涌保护时，需要一种方法来快速量化收到的浪涌保护程度。IEC 61000 4-5 是一项通用标准，也是 TI 会进行评估的标准，该标准是 TVS 二极管、气体放电管 (GDT) 和金属氧化物压敏电阻 (MOV) 等器件用来标准化浪涌抗扰度参数的通用标准。通常使用 1.2/50 – 8/20us 浪涌发生器进行测试，其中电压波形具有 1.2us 上升时间和 50us 下降时间，电流波形具有 8us 上升时间和 20us 下降时间。该标准支撑了许多器件（包括 TI 的器件）对于浪涌抗扰度的要求。显示功率随时间变化的 0.5kV 和 6kV 浪涌电压如图 2-1 所示

图 2-1 浪涌和 ESD 功率比较

较简单的保护方案的工作原理是限制电流、钳制线路电压和对进入差分线路的峰值浪涌电流进行额外滤波。

图 2-2 具有基本分立浪涌保护功能的 RS-485 半双工收发器

在图 2-2 中，端口的传入浪涌将限制电流以设置 TVS 二极管的钳位电压。了解二极管可以将总线钳位到预期浪涌条件下的电平非常重要。通过二极管分流的电流可以直接与总线钳位电压相关，因此在浪涌源和总线保护之间设置电流限制非常重要。R1 和 R2 是防脉冲低值电阻器，通常这些电阻器可以是厚膜电阻器或绕线电阻器，大小约为 10Ω。这些电阻器有助于滤除来自总线的持续较短峰值电压，这进一步提高了节点的整体额定值。TI 的许多 RS-485 数据表建议将 CDSOT23-SM712 二极管与 CRCW0603010RJNEAHP 厚膜电阻器配合使用。

添加基本浪涌保护所必需的两个电阻器和二极管会在总空间预算中增加几乎 50% 的 IC 封装空间。这也不包括布局注意事项，因为这也会导致总设计尺寸增大。TI 仅建议采用上述设计应对大约 ±1kV 浪涌电压，但较高的浪涌电平可能需要较大的二极管。

了解收发器能够检测到的最大电压非常重要。如果总线钳位过高，收发器仍可能损坏，因此设计人员必须跟踪总线的钳位电压。除了尺寸增加和收发器的严格最大电压之外，该设计还有另一个缺陷，即浪涌电压的持续时间必须相对较短。RS-485 保护系统中通常使用的 TVS 二极管无法承受通过其无限期分流的大量电流。此外，如果二极管在大电流条件下运行时间过长，二极管可能会损坏，总线上由此产生的电压尖峰可能会导致收发器和保护器件损坏。

虽然之前讨论的简单保护方法对许多系统大有裨益，但其他系统可能需要更可靠的方法。一种在系统中实现更高级别保护的可靠方法是，除了上述简单网络之外，还采用瞬态阻断单元 (TBU) 和金属氧化物压敏电阻 (MOV)。

图 2-3 为 RS-485 总线提供可靠的分立式浪涌保护

图 2-3 展示了由 TVS 二极管和防脉冲电阻器组成的简单网络仍处于与更简单保护方案中相同的位置。但是，还添加了 TBU 和 MOV 以提高稳健性。TBU 显示为电流限制器和电压断开电路。在过压或过流事件期间，TBU 可以限制通过器件的电流，然后在短暂的延迟后，可以有效地断开浪涌源的负载，包括 RS-485 器件。MOV 的作用类似于双向浪涌二极管和总线的额外钳位级，以在大浪涌下提供保护。它们无法防止浪涌电流，可能会出现持续电流故障问题。由于这些限制，它们与 TBU 配对，以在主总线上增加电流保护和电压钳位。

在大多数浪涌保护 RS-485 系统中，可以找到简单或复杂的变化，同时可能存在异常值。这两种设计经过精心测试，可满足特定的保护需求。但是，电路板上每增加一个元件，设计的复杂性和所需的布板空间就会增加，这可能会给设计人员带来相当大的压力，使其无法充分实现所有设计目标。