简单有效的RS-485系统瞬态浪涌防护方案

中心议题：

• RS-485 介绍及RS-485 接口规格
• TBU-P40-G TVS 如何提供有效的线路防护
• RS-485 接口三级防护方案的实现
• Bourns® TBU® 高速保护器的工作原理
• 三级防护线路中主次级保护器的选型
• 瞬态浪涌测试数据

应用RS-485 差分通信接口的程序控制系统设计在安装和调试过程中要能够承受严苛的条件，需要在瞬态浪涌和雷击等条件下也可以继续工作。如何使用合适的线路保护的方案来满足不同需求的RS-485 接口防护，使电路设计更加简单，防护等级更高？阅读本文，学习巧用TBU高速保护(HSP), MOV(金属氧化物压敏电阻)，GDT(气体放电管)，TVS（瞬态电压抑制器）恰当组合实现要求。

现今的程序控制架构和闭环回路系统发展为许多串行支路,其采用点对点,多路或者是多点系统. 串行支路的距离从几米到一千米以上.数据传送协议包括TIA/EIA-485, TIA/EIA-232,TIA/EIA-422, 现场总线,CAN 总线, PROBUS, INTERBUS 和LVDS.它们都可以和不同的遥控器件进行通信,这些通信器件包括传感器,制动器,监视器. RS-485 差分通信接口用于长距离并且要抗共模干扰的通信传输,尤其适合于在工厂的程序控制. 程序控制系统设计在其安装和调试过程中要能够承受严苛的条件,在瞬态浪涌和雷击等条件下也可以继续工作.这个应用文档的目的在于如果使用线路保护的方案来满足不同需求的RS-485 接口防护。美国柏恩Bourns的线路保护方案和测试功能板可以辅助系统设计人员利用BournsTBU高速保护器(HSP), MOV(金属氧化物压敏电阻)，GDT(气体放电管)，TVS（瞬态电压抑制器）来实现其要求。

RS-485 简介

RS-485 是一种工业通信接口，其特点是在短距离传输时速度可以到35Mbps,长距离时速度可以到达100 kbps.由于外界环境或者大的感性负载等原因，瞬态脉冲和浪涌也会在其数据线上产生，尤其是在长距离传输中还很容易遇到线错接或者短路等突发问题，这些问题都会使其性能下降而影响到整个系统的数据传输。RS-485 通常被应用于楼宇自动售货机，安防监控系统等。

RS-485 系统固有的优势能比较坚固于许多其它的传输形式，它的信号采用二线制的差分信号，联系于参考电压，这个参考电压通常（但不全是）是地电位。RS-485 具有较强的抗共模干扰能力，例如地干扰或者马达的感应噪声等。同时它采用较高于常用通信系统的电压使它比其它通信网络和系统更加坚固。例如以太网信号是2V，通用的USB 标准协议是5V， 而RS-485 允许的共模电压为-7V 到+12V，它的压降即使是在较长的传输节点上也是可以接受的，而不需要增加额外的昂贵器件。

RS-485 接口规格

                          

表一详细的说明了RS-485 接口的规范。主要的参数包括-7V 到+12V 的工作电压，32Mbps 的数据传输速度已经1200 米的传输距离等。一个完全兼容的RS-485 接口必须符合 IEC61000-4-2（静电），IEC61000-4-4（群脉冲）和 IEC61000-4-5 （浪涌）标准。

每个串口设计都要服从正常的推荐的电压范围，RS-485 定义了保护的多少当其电压超过了-7V 到12V。如果环境要求总线要承受24V，那么额外的保护措施是必要的并且还要符合其原有的标准。美国柏恩(Bourns) 可以提供各种不同种类的过电流，过电压线路保护技术。具体的器件选择取决于实际应用和工作电路的具体要求。

RS-485 接口的防护

通常情况下采用的RS-485的保护方案包括一个瞬态电压抑制器二极管阵列，如使用美国柏恩(Bourns® )的CDSOT23-SM712， 这个单颗双向的器件为RS-485提供了异步过电压保护当其超过-7V到+12V的共模电压范围。如果RS-485系统不是室外使用，瞬态电压抑制器阵列可能就可以满足保护的要求。

TBU-P40-G TVS 如何提供有效的线路防护

单极的瞬态电压抑制器二极管可以有效地嵌位信号总线上瞬态的脉冲电流。Ipp是瞬态电压抑制器二极管能承受的最大的电流。二极管暴露在较高的瞬态电压下，要考虑加载在它上面的电流大小，一定要保证其不能超过额定的最大电流。如图1 所示，瞬态电压抑制器和一个串联电阻Rx的网络来实现低等级的保护，当瞬态电压增加时，二极管和串联电阻的额定功率也随之增加也保证能限制二极管中的电流要低于额定的最大电流。瞬态能量是关于脉冲宽度，持续时间和瞬态斜率dv/dt 的函数。大多数瞬态电压抑制器的规格书中都会提供瞬间脉冲功率Ppp 在8/20us 或10/1000us的数值。除此之外，瞬态电压抑制器的规格书中还会提供一个对数关系的曲线图表来描述不同脉冲宽度下瞬态电压抑制器的性能表现。

                          

随着瞬态能量的增加，这种单级保护方案的不足会凸显出来。 例如当串联电阻的功率增加来限制瞬态电压抑制器的电流时，电阻自身上的压降会影响正常工作时的信号传输水平。从而也会影响其通信环路的传输距离。这时我们可以用三级防护的模式来做到较大瞬态能量的保护，使其对传输距离影响最小，占用的版面空间也最小。

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