Bourns RS-485系统瞬态浪涌防护解决方案

　　其中RS-485差分通信接口将送/收之信号线结合，共同使用同一对传输线， 传输线总长度更可达1.5公里之谱，具有因应工业现场通信节点多、位置分散、通信距离远及使用最少线材等要求，故非常适合应用于工厂的程控；又由于程控系统设计之安装和调试过程中需承受严苛条件，在瞬态浪涌和雷击等条件下亦要能够继续工作；基于此，美商柏恩Bouns设计出一个完整解决方案如Bourns TBU High-Speed Protector （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）等，协助设计工程师有效提高RS-485接口的瞬态浪涌防护等级。

　　RS-485常应用于楼宇自动售货机，安防监控系统等，其特点为短距离传输时速度为35Mbps,长距离时速度可达100 kbps. RS-485系统更坚固于其他传输形式，其信号采用二线制的差分信号，即一条导线上的电压是另一条导线电压的取反值，接收器输入电压为两跟导线电压的差值，由于两条线路传递之电流大小相同、方向相反故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他通信网路和系统更加坚固。

　　但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在线产生，而在长距离传输中亦容易发生线错接或短路等问题，这都将导致其性能下降而影响到整个系统的数据传输。

　　每个串口设计都要服从推荐的电压范围，RS-485 定义了保护的多少当其电压超过-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且需符合其原有标准。美国Bourns可以提供各种不同种类的过电流，过电压线路保护技术。具体器件选择取决于实际应用及工作电路之具体要求。

　　RS-485 界面的防护

　　次级保护方案

　　RS-485之电路保护解决方案常包含一个TVS二极管数组，这种单级保护方案可有效地嵌位信号总线上瞬态的脉冲电流。Bourns的CDSOT23-SM712为单颗双向组件，当电压超过了-7V到12V时，提供RS-485过电压保护；TVS二极管和一个串联电阻Rx的网络来实现低等级的保护，适合RS-485系统之室内应用。而其封装方式采用100%锡制接点，并与无铅制程兼容，符合许多工业和政府关于无铅零组件的规范。

　　三级防护方案

　　随着瞬态能量增加，单级保护方案则显得不足；在任何形式的线路中，电力线串扰和高能量脉冲皆为明显之挑战，TVS二极管及电阻所形成之单级保护方案，仅能抵挡中低级别瞬态电压，但电力线串扰与大电流发生时，则无法发挥保护功能；此时，采用TVS次极防护，搭配Bourns TBU HSP用来协调匹配，MOV或者GDT用于初级保护之三级防护模式提供绝佳解决方案，大大提升RS-485防护等级。

　　三级防护模式不仅能够实现较大瞬态能量的保护，对于传输距离影响最小，更节省所需之版面空间，解决主板面到临空间不足的问题。该防护方案利用不同元器件相互协同合作达到有效的电路防护。MOV或GDT之作用为保护Bourns TBU HSP免于瞬态电压之破坏；Bourns TBU HSP则可限制过大电流流入后端设备之中，当线路中电流超过Bourns TBU HSP之电流限制，该原件将于1微秒之内启动其保护机制，；TVS二极管则搭着RS-485传输器嵌位其电压，使得RS-485信号在规定之电压信号范围内正常运作。如下图（图1）所示：

图1

理解Bourns TBU 快速保护器的工作原理

　　Bourns TBU HSP电路保护解决方案，可防阻来自电路的短路故障、交流电搭接、交流电串扰及雷击浪涌之威胁。Bourns TBU HSP之TBU-CA系列为低容值、单路双向、可自动恢复、高速线路组件， 采用了高压MOSFET半导体工艺。该组件拥有快速反应能力，可于1微秒间启动防护机制，有较宽之工作频段、布线简单、体积小，封装尺寸仅6.5x4mm,并采用表面黏贴之DFN封装，完全符合RoHS规范和无铅制程。

　　结合TVS和MOV/GDT的主次级防护，使RS-485接受较高等级之保护； 当瞬态电流增加超过Bourns TBU HSP触发电流时，该装置将处于高阻状态，有效截断瞬态电流对RS-485收发器的影响。

　　Bourns TBU HSP能够解决版面空间之不足之挑战，于极小贴片封装，有效提供265V电压及20KA以上之浪涌电流保护。如下图：

图2

　　三级防护线路中正确选择主次级保护器

　　初级保护方案在于保护Bourns TBU HSP不受过电压毁损，通过初级保护器之电压箝位与泄放之涌浪电流将小于组件之额定通电流，其以IEC61000-4-5定义之瞬态威胁为基础

　　次级保护方案之电压选择比需保证RS-485 收发器不受大于其最大承受电压的威胁，故将只有很小的电流通过级次电压保护器。

　　电容值是数据线，连接器和线路保护器件的影响总和；其为主次级电压保护器之外，另一考虑因素，故估算数据线和连接器的最大容值将决定所用保护器件之容值大小。[page]

　　使用TBU HSP处理直流电源故障

　　在工业通信系统中直流总线常用于继电器控制或制动器，而当直流电源总线错误安装或搭接在RS-485之差分信号在线时，将导致严重后果；TBU HSP则可用来处理电源故障，由于其为多次可恢复式之元器件。

　　使用TBU HSP防范直流电源故障

　　TBU HSP电压超过Vreset（典型值为7V），该组件即呈现高阻状态，当发生直流电源故障时，晶闸管（TISP4015L1BJ）用于泄放故障电流。通过TBU HSP上面的24V电压超过P40-G240-WH的Vreset,使其进入保护模式。 当24V的故障被排除，TBU HSP会重置，RS-485会重新正常工作。P40-G240-WH可以处理不超过40V的电源故障。 如下图（图3）所示

图3v

如结合瞬态浪涌保护方案（图2）及直流电源故障方案（图3）将可完整实现迅速瞬态浪涌保护及交直流电力线串扰。如下图（图4）所示

图4

　　GDT处理较大能量脉冲同时，MOV用于ESD/EFT防护，如此将可防止TBU-CA085 上高于850V电压。P40-G240前，背靠背二极管在于保护P40-G240-WH, 使在线电压不超过40V.直流电源故障依靠晶闸管（TISP4015L1BJ）及P40-G240-WH协调防护。由于不同之应用中瞬态浪涌之环境条件亦不尽相同，TBU HSP之具体使用规格及防护等级请联系我们的技术工作人员。

　　Bourns RS-485 应用测试板

　　Bourns提供两种TBU-CA系列之测试版选择，以满足设计工程师不同需求之解决方案：

　　RS-485测试板1,运用GDT方案，拥有较宽之带宽（信号损耗较少）GDT极间电容小于1pf. RS-485

　　RS-485测试板2,运用MOV,为兼具成本效益之方案，非常适合10MHZ以上之信号系统中使用，通流能力可达到2.5KA.

图5:RS-485 测试板1 GDT用于主级保护

图6:RS-485 测试板2 MOV用于主级保护

　　总结

　　Bourns三级防护提供一完整及卓越之电路解决方案。以Bourns TBU HSP专利技术为特色，其限制流入电压及能量；协同初级保护GDT或MOV方案 及次级保护TVS二极管，大幅提升RS-485接口过压保护和过流保护等级，达到抗交流电串扰， ESD, EFT防护能力。