详解保护RS

　　保护方案1

　　前面说过，EFT和ESD瞬变具有相似的能量水平，而电涌波形的能量水平则高出三到四个数量级。针对ESD和EFT的保护可通过相似方式实现，但针对高电涌级别的保护解决方案则更为复杂。第一个解决方案提供四级ESD和EFT保护及二级电涌保护。本文描述的所有电涌测试都使用1.2/50 μs波形。

　　此解决方案使用Bourns公司的CDSOT23-SM712瞬变电压抑制器TVS）阵列，它包括两个双向TVS二极管，非常适合保护RS-485系统，过应力极小，同时支持RS-485收发器上的全范围RS-485信号和共模偏移（-7 V至+12 V）。表1显示针对ESD、EFT和电涌瞬变的电压保护级别。

表1. 解决方案1保护级别

　　TVS是基于硅的器件。在正常工作条件下，TVS具有很高的对地阻抗；理想情况下它是开路。保护方法是将瞬态导致的过压箝位到电压限值。这是通过PN结的低阻抗雪崩击穿实现的。当产生大于TVS的击穿电压的瞬态电压时，TVS会将瞬态箝位到小于保护器件的击穿电压的预定水平。瞬变立即受到箝位（< 1 ns），瞬态电流从受保护器件转移至地。

　　重要的是要确保TVS的击穿电压在受保护引脚的正常工作范围之外。CDSOT23-SM712的独有特性是具有+13.3 V和-7.5 V的非对称击穿电压，与+12 V至-7 V的收发器共模范围相匹配，从而提供最佳保护，同时最大程度减小对ADM3485E RS-485收发器的过压应力。

图7. CDSOT23-SM712 I/V特性（8 kV）

　　保护方案2

　　上一解决方案可提供最高四级ESD和EFT保护，但只能提供二级电涌保护。为了提高电涌保护级别，保护电路变得更加复杂。以下保护方案可以提供最高四级电涌保护。

　　CDSOT23-SM712专门针对RS-485数据端口设计。以下两个电路基于CDSOT23-SM712构建，提供更高级别的电路保护。CDSOT23-SM712提供次级保护，而TISP4240M3BJR-S提供主保护。主从保护器件与过流保护之间的协调通过TBU-CA065-200-WH完成。表2显示使用此保护电路的ESD、EFT和电涌瞬变保护电压级别。

表2. 解决方案2保护级别（8 kV）

　　当瞬变能量施加于保护电路时，TVS将会击穿，通过提供低阻抗的接地路径来保护器件。由于电压和电流较高，还必须通过限制通过的电流来保护TVS.这可采用瞬态闭锁单元（TBU）实现，它是一个主动高速过流保护元件。此解决方案中的TBU是Bourns TBU-CA065-200-WH.

　　TBU可阻挡电流，而不是将其分流至地。作为串联元件，它会对通过器件的电流做出反应，而不是对接口两端的电压做出反应。TBU是一个高速过流保护元件，具有预设电流限值和耐高压能力。当发生过流，TVS由于瞬态事件击穿时，TBU中的电流将升至器件设置的限流水平。此时，TBU会在不足1 μs时间内将受保护电路与电涌断开。在瞬变的剩余时间内，TBU保持在受保护阻隔状态，只有极小的电流（<1 mA）通过受保护电路。在正常工作条件下，TBU具有低阻抗，因此它对正常电路工作的影响很小。在阻隔模式下，它具有很高的阻抗以阻隔瞬变能量。在瞬态事件后，TBU自动复位至低阻抗状态，允许系统恢复正常工作。

　　与所有过流保护技术相同，TBU具有最大击穿电压，因此主保护器件必须箝位电压，并将瞬变能量重新引导至地。这通常使用气体放电管或固态晶闸管等技术实现，例如完全集成电涌保护器（TISP）。TISP充当主保护器件。当超过其预定义保护电压时，它提供瞬态开路低阻抗接地路径，从而将大部分瞬变能量从系统和其他保护器件转移开。

　　TISP的非线性电压-电流特性通过转移产生的电流来限制过压。作为晶闸管，TISP具有非连续电压-电流特性，它是由于高电压区和低电压区之间的切换动作而导致的。图8显示了器件的电压-电流特性。在TISP器件切换到低电压状态之前，它具有低阻抗接地路径以分流瞬变能量，雪崩击穿区域则导致了箝位动作。在限制过压的过程中，受保护电路短暂暴露在高压下，因而在切换到低压保护导通状态之前，TISP器件处在击穿区域。TBU将保护下游电路，防止由于这种高电压导致的高电流造成损坏。当转移电流降低到临界值以下时，TISP器件自动复位，以便恢复正常系统运行。

　　如上所述，所有三个器件与系统I/O协同工作来保护系统免受高电压和电流瞬变影响。

图8. TISP切换特性和电压限制波形