工業(yè)RS－485網(wǎng)絡(luò)的總線電纜通常與工業(yè)直流（DC）電源總線共用一根導(dǎo)管，而且由于電纜接線錯(cuò)誤以及電纜劇烈彎曲而引起的絕緣損壞，可能會(huì)引起數(shù)據(jù)與電源導(dǎo)體間短路。在這些故障下保持運(yùn)行，需要過壓保護(hù)收發(fā)器，其總線端子需具備高于最大可能DC電源電壓的高DC與交流（AC）隔離電壓。

然而，要保護(hù)總線數(shù)據(jù)線免受更高過電壓瞬變（例如雷擊）的影響，需要具有特定開關(guān)特性的瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。

本文討論了過壓保護(hù)收發(fā)器和TVS的組合，其可保護(hù)RS－485數(shù)據(jù)線免受靜電（ESD）、瞬態(tài)脈沖干擾（EFT）和電涌瞬變的影響，特別是在工業(yè)DC總線中，24V額定電壓可承受高達(dá)36V的電壓偏移。

具備過壓保護(hù)（OVP）的RS－485收發(fā)器

如圖1所示的收發(fā)器能夠承受高達(dá)±60V的AC和DC過電壓。其中，一條總線可保持在＋60V，另一條總線則位于－60V。這樣便產(chǎn)生120V的顯著差分電壓。根據(jù)EIA－485，瞬態(tài)情況甚至可高達(dá)±80V。

被禁用的收發(fā)器僅依賴其輸出晶體管的高擊穿電壓，因此很容易承受如此高的電壓。但是，過電壓通常在最不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間發(fā)生，例如數(shù)據(jù)傳輸過程中。在這種情況下，將啟用其中一個(gè)總線驅(qū)動(dòng)器，將足夠的電流延電路泵送，以便遠(yuǎn)程接收器進(jìn)行檢測(cè)。

雙折返限流

為了防止對(duì)驅(qū)動(dòng)器造成嚴(yán)重?fù)p壞，需要一種巧妙的限流方案，使驅(qū)動(dòng)器能夠在任何情況下都可以傳輸數(shù)據(jù)并在發(fā)生故障時(shí)限制其電流。受故障保護(hù)的收發(fā)器具備帶雙折返電流限制的驅(qū)動(dòng)級(jí)，通常提供比RS－485標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定更寬的共模范圍。

圖2顯示了圖1中受故障保護(hù)的收發(fā)器的限流功能。它在±20V的寬共模范圍內(nèi)工作。第一個(gè)折返電流約為63mA，可確保在整個(gè)40V（±20V）共模范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，驅(qū)動(dòng)器永不折返。然后，較低的第二折返電流電平（約13mA）將過壓故障期間的功耗降至最低。這種限流方案可確保即使在共模或過壓范圍的極端情況下，驅(qū)動(dòng)器輸出電流也不會(huì)超過RS－485規(guī)范。

在發(fā)生嚴(yán)重短路的情況下，收發(fā)器還提供熱關(guān)斷功能，即在芯片溫度過高時(shí)禁用驅(qū)動(dòng)器。如此可將功耗降至零，并使芯片冷卻。芯片溫度下降約15°C后，驅(qū)動(dòng)器將自動(dòng)重新啟用。如果故障仍然存在，則將重復(fù)執(zhí)行熱關(guān)斷／重新啟用的循環(huán)，直至故障清除。接收器在熱關(guān)斷期間保持可操作狀態(tài)，且無論驅(qū)動(dòng)器啟用、禁用亦或IC掉電，故障保護(hù)都處于活動(dòng)狀態(tài)。

收發(fā)器內(nèi)部ESD保護(hù)

收發(fā)器內(nèi)部ESD保護(hù)通過可控硅整流器（SCR）實(shí)現(xiàn)。這些設(shè)備具有快速回跳而非齊納（Zener）特性。當(dāng)外部電壓超過其觸發(fā)電壓閾值時(shí)，它們開始導(dǎo)通。由于驅(qū)動(dòng)器輸出晶體管的擊穿電壓很高，觸發(fā)閾值為±70V，以防止在正常操作期間誤觸發(fā)。圖3（藍(lán)色）顯示了收發(fā)器的對(duì)稱回跳特性。

將觸發(fā)閾值設(shè)置為遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出操作極限的好處在于可以使用多種TVS設(shè)備，這些設(shè)備的高鉗位電壓仍低于觸發(fā)閾值。

具有高DC隔離度的瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）

許多TVS設(shè)備保護(hù)三種主要類型的過電壓瞬變：ESD、EFT和電涌。但是，為了承受高達(dá)36V的直流電勢(shì)，TVS必須具有相近的工作電壓和超過40V的反向擊穿電壓。請(qǐng)注意，進(jìn)入TVS的工作電壓的泄漏電流要保持在1mA以下。隨后發(fā)生反向擊穿，器件開始輕微導(dǎo)通，電流增加到10mA。

圖4表示這種TVS器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由四個(gè)電流控制二極管和一個(gè)典型反向擊穿電壓為45V的中心回彈二極管組成。其I－V特性如圖3所示。

這種TVS具有高擊穿電壓和350mW的功率吸收能力，但其占板面積僅為2mmx1mm。端子1和3連接至數(shù)據(jù)線，而端子2、4和5接地。

有兩種接線方式。使用一個(gè)TVS保護(hù)兩條數(shù)據(jù)線會(huì)導(dǎo)致不對(duì)稱的鉗位曲線。為了清晰起見，僅顯示了一根導(dǎo)線的電流路徑。向A和B導(dǎo)線施加正極性的測(cè)試脈沖會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)電流流過轉(zhuǎn)向二極管和中心回跳器件。對(duì)于負(fù)脈沖，電流僅流過單個(gè)二極管。圖3以黑線顯示了非對(duì)稱鉗位特性，用引腳1或3至2、4、5表示。

使用兩個(gè)TVS器件，并于每條數(shù)據(jù)線放置一個(gè)TVS，將產(chǎn)生對(duì)稱的鉗位特性，在圖4中用引腳1至3表示。此處未連接接地引腳2、4和5。取而代之的是，I／O端子之一（1或3）連接至數(shù)據(jù)線，另一端子接地。因此，用于正脈沖和負(fù)脈沖的瞬態(tài)電流保持對(duì)稱。

如圖3所示，TVS設(shè)備的觸發(fā)閾值低于收發(fā)器內(nèi)部SCR的觸發(fā)閾值，從而防止了內(nèi)部與外部保護(hù)方案之間的相互作用。

最終電路設(shè)計(jì)

單個(gè)TVS解決方案的非對(duì)稱鉗位極大地限制了收發(fā)器在負(fù)共模電壓下的共模范圍。因此，應(yīng)僅在共模變化較小的應(yīng)用中使用此解決方案，否則，請(qǐng)各使用一個(gè)TVS保護(hù)每條線路。，增加的2mm2占板面積讓您可以享受完整的±20V共模范圍，并確保達(dá)到RS－485規(guī)范。TVS的另一個(gè)好處是其低結(jié)電容為4pF（最大值）。這使您可以保護(hù)長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)單個(gè)節(jié)點(diǎn)，也可以保護(hù)高速（40Mbps）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路，而不會(huì)影響信號(hào)完整性。

當(dāng)然，有一些設(shè)計(jì)技巧可讓您主動(dòng)將過電壓瞬變的影響降至最低。回想一下，ESD和EFT脈沖的前半程在較低的納秒范圍內(nèi)。這些瞬態(tài)時(shí)間導(dǎo)致了從30Hz到300MHz的頻譜范圍。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)健的過電壓保護(hù)方案就變成了一個(gè)RF設(shè)計(jì)，具備對(duì)去耦和低電感返回路徑的所有要求。

因此，請(qǐng)確保您的GND和VCC參考平面是沒有孔或切口的真實(shí)銅平面；這確保了低電感的返回路徑。請(qǐng)注意，高頻信號(hào)遵循的是電感最小的路徑，而不是阻抗最小的路徑。這需要使用多層板。將信號(hào)走線布于頂層，其后分別是接地和VCC平面作為第二層和第三層。底層為路由控制信號(hào)，如DE和／RE啟用信號(hào)。

將TVS器件盡可能靠近板連接器放置，以防止瞬變穿透電路板。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)線走線使電流在流向收發(fā)器總線端子之前易于先流入TVS。典型的走線設(shè)計(jì)使用小型V型連接，如圖5所示。在靠近收發(fā)器及電路板上可能用到的其它IC的電源端子處使用去耦電容器。

最好使用一個(gè)電容值進(jìn)行去耦；可通過并聯(lián)電容器得到更大的電容值。隨著頻率的增加，電容器的電抗首先體現(xiàn)為電容性，然后為電感性。應(yīng)用多個(gè)電容值可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)電容值的電感與另一個(gè)電容值的電容形成一個(gè)LC槽路，從而導(dǎo)致顯著的電磁干擾（EMI）。

TVS器件和去耦電容器至少要使用兩個(gè)接地過孔，以使過孔電感最小。

結(jié)論

過壓保護(hù)收發(fā)器（也稱為故障保護(hù)收發(fā)器）與現(xiàn)代瞬態(tài)電壓抑制器的結(jié)合可縮減過壓保護(hù)設(shè)計(jì)的成本與電路板空間，并大大減少設(shè)計(jì)及開發(fā)時(shí)間。

瑞薩電子擁有一系列OVP收發(fā)器產(chǎn)品，這些收發(fā)器與SemtechTVS器件結(jié)合使用可為各種應(yīng)用提供多種瞬態(tài)保護(hù)解決方案。

關(guān)于作者

TomKugelstadt是瑞薩電子美國(guó)的高級(jí)應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)為工業(yè)系統(tǒng)定義全新高性能模擬產(chǎn)品。他畢業(yè)于法蘭克福應(yīng)用科技大學(xué)工程學(xué)，在模擬電路設(shè)計(jì)方面擁有超過35年的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)。