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1、RS-485系统中处理瞬态威胁 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
2、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 Bourns TBU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。 TBU-CA085-300-WH TBU-P40-G 2031-23T-SM-RPLF 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
3、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
4、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。 MOV-10D201K CDSOT23-SM712 TISP4015L1BJ 10/11 e/CPK1146 RS-485系统中处理瞬态威胁 RS-485 接口規格 TBU-CA085-300-WH 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 （
5、浪涌）标准。 表一 RS-485 接口规格 TBU-P40-G 差分信号 最大的驱动数量 最大的接受数量 操作模式 是 32 32 半工器 多点系统 1200 m 32 Mbps 100 kbps +/- 200 mV -7 V to +12 V -7 V to +12 V +/- 1.5 V 2031-23T-SM-RPLF 网络结构 最长距离 最高速度在 12 m时 最高速度在 1200 m时 接受的灵敏度 接受的工作电压 输出的负载电压 最大（小）的驱动电压 . MOV-10D201K CDSOT23-SM712 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
6、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。 TISP4015L1BJ 10/11 e/CPK1146 RS-485系统中处理瞬态威胁 RS-485 接口的防护 TBU-CA085-300-WH 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
7、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
8、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。 2031-23T-SM-RPLF MOV-10D201K RS485 Transceiver Itransient Rx CDSOT23-SM712 CDSOT23-SM712 TVS Diode TISP4015L1BJ 图 1 TVS 二极管 +电阻 Rx 随着瞬态能量的增加 ， 这种单 级保护方案的不足会凸
9、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帄。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。 10/11 e/CPK1146 RS-485系统中处理瞬态威胁 实现有效的电路防护 TBU-CA085-300-WH 图表 2 所示，三级防护方案提供了最佳的方案。它使 RS-485 收发器承受更高等级的防护。此方案采用 瞬态电压抑制器 次极防护 ， 美国柏恩(Bourns ) TBU 高速保护器 用来协调匹配， 金属氧化物压敏电阻 或者 气
10、体放电管 用于初级保护各个保护元器件协同合作，可以使 RS-485 更加强壮，承受更高等级的防护，远远优于单级保护的作用。 TBU-P40-G TBU 高速保护器 2031-23T-SM-RPLF 设备 电压瞬变抑制二极管 Primary Device 接口 TBU 高速保护器 MOV-10D201K 图 2 三级防护方案 三级防护方案的实现 CDSOT23-SM712 TISP4015L1BJ 图 2 所示三级防护方案协 同合作达到保护的目的。选择不同的元器件实现其瞬态保护在接口瞬态能量注入的地方。 金属氧化物压敏电阻 或者 气体放电管 可以保护 TBU 高速保护器 不被大的瞬态电压破坏，当
11、线路中的电流超过了 TBU 高速保护器 的限制电流， 美国柏恩 (Bourns ) TBU高速保护器 会在 1 微秒之内限制电流流入后端设备， TVS 二极管仅靠着RS-485 传输器可以很好的嵌位其电压，使 RS-485 信号在其规定的电压信号内正常传输。 10/11 e/CPK1146 RS-485系统中处理瞬态威胁 理解 Bourns TBU 高 速 保护器的工作原理 TBU-CA085-300-WH TBU-P40-G 美国柏恩 (Bourns ) TBU 高速保护器 的 TBU-CA 系列产品是低容值，单路双向，高速线路保护器件，采用了高压 MOSFET 半导体工艺。TBU 高速保护
12、器 用来保护电路的短路故障，交流电搭接，交流电串扰，雷击浪涌，并且可以恢复使用。 TBU 高速保护器 具有前所未有的反应速度，布线简单，封装尺寸只有 6.5x4mm 大小。 美国柏恩(Bourns ) TBU 高速保护器 采用表贴的 DFN 封装，完全符合 RoHS 规范和无铅制程。 三 级防护的拓扑结构可以承受大的瞬态能量通过 TBU 高速保护器 1微秒的反应速度以及 TVS和 金属氧化物压敏电阻 /气体放电管 的主次级防护。在正常工作情况下， TBU 高速保护器 表现为一定电阻特性串联在工作线路中。当瞬态电流增加超过 TBU HSP的触发电流时， TBU 高速保护器 关断为高阻状态，有效地
13、截止了瞬态电流对 RS-485收发器的影响。 美国柏恩 (Bourns ) TBU 高速保护器 的响应速度非常迅速一般在 1us 之内，并且拥有较宽的工作频段。 在任何形式的线路中，电力线串扰和高能量脉冲都是一个明显的挑战，尤其是在有限的版面空间下。如前所述， 瞬态电压抑制器 二极管和电阻形成的单级保护方案可以有效地保护中低级别的瞬态保护但不法对电力线串扰和大电流提供有效保护。 美国柏恩 (Bourns ) TBU 高速保护器 可 在很小的贴片封装里有效的抵挡 265V的电压和 20KA 以上的浪涌电流。为演示三级防护方案的防护能力采用图三所示的线路， 100 欧姆的负载电阻在实际电路中不需要
14、使用。此线路用来模仿应用电路中负载的特性。 2031-23T-SM-RPLF MOV-10D201K CDSOT23-SM712 TBU-CA085-300-WH TISP4015L1BJ Generator Schaner 1.2/50 0.5/50 ECAT 0.5/700 +10/700 - 1:2 AC Isolation Transformer Load TBU-CA085-300-WH 100 100 Surge Generator CDSOT23-SM712 图三 美国柏恩 (Bourns ) TBU高速保护器 瞬态测试电路 10/11 e/CPK1146 RS- 485 系统中
15、处理瞬态 威胁 三级防护线路中正确选择主次级保护器 TBU-CA085-300-WH 使用初级保护器的目的在于保护 美国柏恩 (Bourns )TBU 高速保护器不被过电压损坏掉 ,通过初级保护器的电压嵌位或者泄放的脉冲电流一定要小于器件的额定通流量 .Isurge=Vgenerator/Rgenerator, Isurge 以IEC61000-4-5 中规定的瞬态威胁为基础 。 次级电压保护器的电压选择必须保证 RS-485 收发器不受大于其最大承受电压的威胁。由于 TBU 高速保护器 是小于 1 微秒的快速响应速度，所以只有很小 的电流通过级次电压保护器。 电容值是主次级电压保护器的另外一
16、个关键考虑因素。如果超过了传输界面允许的最大电容值，那么节点的带宽就会受到相应的限制。这个电容值是数据线，连接器和线路保护器件的影响总和。能估算到的数据线和连接器的最大容值将决定你所用保护器件的容值大小 。 TBU-P40-G 2031-23T-SM-RPLF 瞬态浪涌测试数据 MOV-10D201K 如下的示波器波形有助于理解 TBU 高速保护器 在不同的瞬态浪涌等级和电力线串扰等方面的三级保护方案中的性能 .用如图 3 所示的线路进行演示 ,不难发现次级的 瞬态电压抑制器 中流过的能量已经很小 ,TBU 上面流过的电流相对于浪涌电流来说也是微乎其微 。 T Trigd T CDSOT23-SM712 1 Vtransient = 28.2 Vrms 2 TI
