RS-485接口保护应用

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 击等条件下也可以继续工作。这个应用文的目的在于使用线

图1  三级防护方案    

图2  Bourns TBU HSP 瞬态测试电路

图3  28Vrms 电力线串扰    

图4 120Vrms 串扰
路保护的方案来满足不同需求的RS-485接口防护。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 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） 来实现其要求。

2 实现有效的电路防护
图表1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TVS次防 护，Bourns TBU HSP用来协调匹配，MOV或者GDT 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。
3    三级防护方案的实现
图 1 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。 M OV 或 者 G D T 可 以 保 护 Bourns TBU HSP不被 大 的 瞬 态 电 压 破 坏 ， 当 线 路 中 的 电 流 超

图5 220Vrms 串扰  

图6 1.2/50us 浪涌测试  

图7 0.5/700us 浪涌测试

图8  使用TBU HSP处理直流电源故障
过 了 B o u r n s T B U    H S P 的 限 制 电 流 ，Bourns TBU H S P 会 在 1 微 秒之内限制电 流流入后端设备，TVS 二极 管 仅 靠 着 R S -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。

4  理解Bourns TBU 快速保护器的工作原理
Bourns TBU HSP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。Bourns TBU HSP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。Bourns TBU HSP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。Bourns TBU   HSP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 Bourns TBU HSP 1微秒的反应速度以及TVS和MOV/GDT 的主次级防护。在正常工作情况下，Bourns TBU HSP 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 Bourns TBU HSP的触发电流时，TBU HSP关断为高阻状 态，有效地截止了瞬态电流对RS-485收发器的影响。Bourns TBU HSP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， TVS 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。Bourns TBU HSP 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 路中不需要使用。此线路用来模仿应用电路中负载的特性。

5 三级防护线路中正确选择主次级保护器使用初级保护器的目的在于保护Bourns TBU   HSP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 HSP 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 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。

6 瞬态浪涌测试数据
如下的示波器波形有助于理解Bourns TBU HSP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2 所示的线路进行演示，不难发现次级的TVS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。
以上所示的电力线串扰和瞬态脉冲测试很好的证明了 TBU HSP 在线路中限制负载电流的快速响应性能。此外这 种三级防护的结构使设计者更轻松的选择主次级电压保护器 来达到预期的保护效果。

7  使用TBU HSP处理直流电源
故障工业通信系统中直流总线用于继电器控制或者制动器是 非常普遍的。当直流电源总线错误安装或者错误搭接在RS-
485 的差分信号线上时，其后果非常严重。TBU HSP用在线 路中可以很好的过流保护作用并且是多次可恢复式的。图8 所示的电路利用P40-G240-WH HSP来处理±24 V 电源故障。

8 总结
推荐的三级防护方案以Bourns TBU HSP为特色提供了一个性能优越于同类竞争对手的方案。设计工程师可以充分利用此方案来提高RS-485接口的瞬态浪涌防护等级。它具有明显的抗交流电串扰、ESD、EFT防护能力。Bourns 提供 的RS-485接口保护方案结合Bourns TBU HSP 限制流入的电 压和能量，加上初级保护的GDT或者MOV 以及次级保护的 TVS二极管使得防护方案变得简单容易。使用Bourns TBU HSP的方案可以使RS-485 接口过压保护和过流保护等级大幅 度提高。