RS485总线节点的瞬态保护

 

　　电气过应力所致功能失灵带来的工业网络故障时间产生的巨额费用使得网络节点保护变得非常有必要，特别是静电放电、电感开关和雷击所引起的电气瞬态的保护。因此，国际电工委员会 (IEC) 定义了三种瞬态抑制测试标准，旨在保证测试期间和测试后电路的正确运行。

　　本文简要介绍了这些测试，并建议使用工业 RS-485 线缆和低电容瞬态电压抑制器为您的网络保护提供一种最有效的方法。

　　瞬态抑制测试系列

　　我们将讨论三种 IEC 标准：

　　静电放电 (ESD) 抗扰度 (IEC61000-4-2)

　　电气快速瞬态 (EFT) 抗扰度，或猝发抗扰度 (IEC61000-4-4)

　　浪涌抗扰度 (IEC61000-4-5)

　　ESD 测试模拟了人体的静电放电对电子设备的影响。ESD 发生器产生的测试脉冲为短历时(100ns 以下)脉冲，并有一个约 1ns 的快速上升时间。尽管这种测试脉冲为低能量，但可以形成许多毁灭性的高电流，其足以毁坏一个收发器的内部保护电路。一个最小 ESD 测试序列由 20 次放电、10 个正极脉冲、10 个负极脉冲，以及每个脉冲之间的一秒暂停间隔组成。

　　猝发测试模拟了电感开关、继电器触点回跳等引起的日常开关瞬态。相比单测试脉冲的 ESD 测试，猝发发生器会产生一个完整序列的测试脉冲(称作一个猝发)。每个猝发包括约 15000 个瞬态。一个完整测试序列的六个 10s 猝发(相互之间的暂停间隔为 10s)可在一分钟内产生数百万次脉冲。一次单脉冲持续时间很短(请参见图 1b)，因此能量较低，但这种对收发器完全无休止的瞬态轰击，会给其内部保护单元带来巨大的挑战。

　　浪涌测试是所有测试中最严格的测试，因为它模拟了雷电引起的开关瞬态。浪涌发生器产生的瞬态比 ESD 或猝发瞬态长约 1000 倍。另外，发生器的低源阻抗允许高压下的高浪涌电流，从而代表高能量脉冲。由于其高能量成份，测试序列一般由五次正浪涌脉冲和五次负浪涌脉冲(一分钟或更短时间脉冲之间存在时间间隔)组成。

　　

 

　　图 1 ESD(左)、猝发(中间)和浪涌脉冲(右)举例

　　注释：电流和电压被标准化。若要了解绝对值，请参考实际标准。

　　保护总线节点

　　选择低成本的 CAT5 工业 RS-485 线缆或者平带 (flat-band) 线缆可以消除引入总线线路的主要瞬态能量。Belden 3107A(请参见图 2)等线缆具有编织屏蔽作用，可以极大地降低耦合至信号导线中的噪声。更低的信号线噪声，意味着对下列保护电路的瞬态影响更小。

　　

 

　　图 2 具有屏蔽和加蔽线的工业 RS-485 线缆

　　图 2 所示工业 RS-485 线缆是单双工及半双工数据链路的理想选择。它允许将一个信号对用作总线信号线，而另一个信号对用作接地线，从而降低瞬态电流返回通路的电感。其他一些好处还包括线缆的 120 欧姆额定特性阻抗。这样便可保证阻抗匹配 RS-485 收发器开关特性和加蔽线的添加，从而允许线缆屏蔽的简单接地。请注意，应该仅在一个线缆末端接地，更好的选择是在最接近单接地参考总线接地基准的末端。

　　图 3 显示了一个具有瞬态电压抑制器二极管 (TVS) 保护的典型 RS-485 节点电路的简化示意图。最近的工艺技术进步，才实现了快速、低电容 TVS 二极管的制造。前几代 TVS 设计表现出来的数纳秒响应时间，对于 ESD 和猝发瞬态的快速上升时间来说都太慢。另外，其电容负载超出了每 TVS 器件 1000 nF，其在数据速率未降至极低水平的情况下，并不具备有效的多节点网络保护。

　　许多现代高精密抑制器设计都具有低至皮秒范围的响应时间，同时拥有约 10 pF 到100 pF 的电容(具体取决于器件拓扑结构和额定功率)，从而实现单总线节点保护。

　　在差动数据信号中，例如：RS-485等，一般要求三个瞬态抑制器来模拟有效的现实世界瞬态保护：两个 TVS 器件用于实现共模瞬态(出现在 A 线路及接地和 B 线路及接地之间)保护，第三个 TVS 用于抑制 A 线路和 B 线路之间的差动瞬态。

　　作为 RS-485 连接器的螺旋式接线柱，将传输线缆连接至收发器 (XCVR)。三个瞬态电压抑制器二极管 (TVS) 用于消除 A 线路及接地和 B 线路及接地之间的共模瞬态，以及 A 和 B 之间的差动瞬态。

　　

 

　　图 3 带瞬态保护的 RS-485 总线节点

　　图 4 显示了双向瞬态电压抑制器的对称电压-电流 (V-I) 特性。在一些低至切断电压 VWM 的低电压下，瞬态抑制器带来了信号线的高阻抗，并且仅有数微安培的器件漏电流。这种状态下，数据链路必定能够正常运行。因此，选择 TVS 用于 RS-485 链路时，其切断电压必须高于最大总线电压，其中包括 RS-485 标准规定接地电位差 (GPD) 的 ± 7V，其必然要求 VWM ≥ 12V。

　　在总线电位超出 TVS 击穿电压 VBR 的瞬态事件中，器件变为传导高电流到接地的低阻抗。但是，它的动态阻抗会引起器件的压降，其随上升电流成比例增加。这种电压常常表示为可以高达 35V 的钳位电压 Vc，其明显超出了收发器总线电位的最大额定值。

　　

 

　　图 4 TVS 二极管的 V-I 特性

　　尽管高 ESD 额定值的收发器可以应对这种短期过应力，但一些较弱的组件会受益于浪涌额定电阻，其以串联方式切换至收发器总线终端(请参见图 3)。10Ω 到 20Ω 典型取值的电阻器可降低钳位动作期间流向收发器的电流，从而最小化对其 ESD 单元的影响。

　　除这些危险的电压和电流电平以外，现实世界瞬态还带来大量的宽带噪声。例如，ESD 脉冲的噪声有大约 3 MHz 到 3 GHz 的频谱。因此，除瞬态抑制外，我们还建议利用噪声滤波和高频布局方法来确保一个面对电磁干扰 (EMI) 时稳健的电路板设计。

　　这些建议将帮助您完成这种设计。在您的电路设计之初就要考虑的瞬态保护方案包括：

　　使用一个四层印刷电路板，其堆叠顺序为：总线信号层、接地层、电源层和控制信号层。

　　将接地层紧挨总线信号层放置，以建立阻抗跟踪控制，并为返回电流提供低电感通路。

　　将 TVS 二极管尽可能地靠近总线连接器放置，以防止瞬态渗入电路板电路。

　　将旁路电容器 (10nF – 100nF) 尽可能地靠近电路板上的所有 IC 放置。

　　利用多个过孔(每个终端至少 2 个)将瞬态抑制器和旁路电容与接地层连接。

　　通过简单的 R-C 低通滤波器将 EMI 滤波器应用于收发器的单端侧。

　　请注意，因为高频电流沿最小电感通路传导，所以大多数上述建议都以转移通过低电感通路的高频噪声为目标。

　　结论

　　一些精密的瞬态抑制器二极管具备对 RS-485 网络中所有总线节点都进行高效保护的能力。尽管有效的瞬态保护会增加初始设计的成本，但其可以防止未来实地运行故障、网络停运以及可能出现的产品召回所带来的高昂费用。