中心議題：

• RS-485 介紹及RS-485 接口規格
• TBU-P40-G TVS 如何提供有效的線路防護
• RS-485 接口三級防護方案的實現
• Bourns® TBU® 高速保護器的工作原理
• 三級防護線路中主次級保護器的選型
• 瞬態浪湧測試數據

應用RS-485 差(cha)分(fen)通(tong)信(xin)接(jie)口(kou)的(de)程(cheng)序(xu)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)在(zai)安(an)裝(zhuang)和(he)調(tiao)試(shi)過(guo)程(cheng)中(zhong)要(yao)能(neng)夠(gou)承(cheng)受(shou)嚴(yan)苛(ke)的(de)條(tiao)件(jian)，需(xu)要(yao)在(zai)瞬(shun)態(tai)浪(lang)湧(yong)和(he)雷(lei)擊(ji)等(deng)條(tiao)件(jian)下(xia)也(ye)可(ke)以(yi)繼(ji)續(xu)工(gong)作(zuo)。如(ru)何(he)使(shi)用(yong)合(he)適(shi)的(de)線路保護的方案來滿足不同需求的RS-485 接口防護，使電路設計更加簡單，防護等級更高？閱讀本文，學習巧用TBU高速保護(HSP), MOV(金屬氧化物壓敏電阻)，GDT(氣體放電管)
，TVS（瞬態電壓抑製器）恰當組合實現要求。

現今的程序控製架構和閉環回路係統發展為許多串行支路,其采用點對點,多路或者是多點係統. 串行支路的距離從幾米到一千米以上.數據傳送協議包括TIA/EIA-485, TIA/EIA-232,TIA/EIA-422, 現場總線,CAN 總線, PROBUS, INTERBUS 和LVDS.它們都可以和不同的遙控器件進行通信,這些通信器件包括傳感器,製動器,監視器. RS-485 差分通信接口用於長距離並且要抗共模幹擾的通信傳輸,尤其適合於在工廠的程序控製. 程序控製係統設計在其安裝和調試過程中要能夠承受嚴苛的條件,在瞬態浪湧和雷擊等條件下也可以繼續工作.這個應用文檔的目的在於如果使用線路保護的方案來滿足不同需求的RS-485 接口防護。美國柏恩Bourns的線路保護方案和測試功能板可以輔助係統設計人員利用BournsTBU高速保護器(HSP), MOV(金屬氧化物壓敏電阻)，GDT(氣體放電管)，TVS（瞬態電壓抑製器）來實現其要求。

RS-485 簡介

RS-485 是一種工業通信接口，其特點是在短距離傳輸時速度可以到35Mbps,長距離時速度可以到達100 kbps.youyuwaijiehuanjinghuozhedadeganxingfuzaidengyuanyin，shuntaimaichonghelangyongyehuizaiqishujuxianshangchansheng
，youqishizaichangjulichuanshuzhonghaihenrongyiyudaoxiancuojiehuozheduanludengtufawenti
，zhexiewentidouhuishiqixingnengxiajiangeryingxiangdaozhenggexitongdeshujuchuanshu。RS-485 通常被應用於樓宇自動售貨機，安防監控係統等。

RS-485 係統固有的優勢能比較堅固於許多其它的傳輸形式，它的信號采用二線製的差分信號，聯係於參考電壓，這個參考電壓通常（但不全是）是地電位。RS-485 具ju有you較jiao強qiang的de抗kang共gong模mo幹gan擾rao能neng力li
，例li如ru地di幹gan擾rao或huo者zhe馬ma達da的de感gan應ying噪zao聲sheng等deng。同tong時shi它ta采cai用yong較jiao高gao於yu常chang用yong通tong信xin係xi統tong的de電dian壓ya使shi它ta比bi其qi它ta通tong信xin網wang絡luo和he係xi統tong更geng加jia堅jian固gu。例li如ru以yi太tai網wang信xin號hao是shi2V，通用的USB 標準協議是5V， 而RS-485 允許的共模電壓為-7V 到+12V

，它的壓降即使是在較長的傳輸節點上也是可以接受的，而不需要增加額外的昂貴器件。

RS-485 接口規格

                          

表一詳細的說明了RS-485 接口的規範。主要的參數包括-7V 到+12V 的工作電壓，32Mbps 的數據傳輸速度已經1200 米的傳輸距離等。一個完全兼容的RS-485 接口必須符合 IEC61000-4-2（靜電），IEC61000-4-4（群脈衝）和 IEC61000-4-5 （浪湧）標準。

每個串口設計都要服從正常的推薦的電壓範圍，RS-485 定義了保護的多少當其電壓超過了-7V 到12V。如果環境要求總線要承受24V，那麼額外的保護措施是必要的並且還要符合其原有的標準。美國柏恩(Bourns) 可以提供各種不同種類的過電流，過電壓線路保護技術。具體的器件選擇取決於實際應用和工作電路的具體要求。

RS-485 接口的防護

通常情況下采用的RS-485的保護方案包括一個瞬態電壓抑製器二極管陣列，如使用美國柏恩(Bourns® )的CDSOT23-SM712
， 這個單顆雙向的器件為RS-485提供了異步過電壓保護當其超過-7V到+12V的共模電壓範圍。如果RS-485係統不是室外使用
，瞬態電壓抑製器陣列可能就可以滿足保護的要求。

TBU-P40-G TVS 如何提供有效的線路防護

單極的瞬態電壓抑製器二極管可以有效地嵌位信號總線上瞬態的脈衝電流。Ipp是(shi)瞬(shun)態(tai)電(dian)壓(ya)抑(yi)製(zhi)器(qi)二(er)極(ji)管(guan)能(neng)承(cheng)受(shou)的(de)最(zui)大(da)的(de)電(dian)流(liu)。二(er)極(ji)管(guan)暴(bao)露(lu)在(zai)較(jiao)高(gao)的(de)瞬(shun)態(tai)電(dian)壓(ya)下(xia)，要(yao)考(kao)慮(lv)加(jia)載(zai)在(zai)它(ta)上(shang)麵(mian)的(de)電(dian)流(liu)大(da)小(xiao)，一(yi)定(ding)要(yao)保(bao)證(zheng)其(qi)不(bu)能(neng)超(chao)過(guo)額(e)定(ding)的(de)最(zui)大(da)電(dian)流(liu)。如(ru)圖(tu)1 所示
，瞬態電壓抑製器和一個串聯電阻Rxdewangluolaishixiandidengjidebaohu，dangshuntaidianyazengjiashi，erjiguanhechuanliandianzudeedinggonglvyesuizhizengjiayebaozhengnengxianzhierjiguanzhongdedianliuyaodiyuedingdezuidadianliu。shuntainengliangshiguanyumaichongkuandu，chixushijianheshuntaixielvdv/dt 的函數。大多數瞬態電壓抑製器的規格書中都會提供瞬間脈衝功率Ppp 在8/20us 或10/1000us的數值。除此之外
，瞬態電壓抑製器的規格書中還會提供一個對數關係的曲線圖表來描述不同脈衝寬度下瞬態電壓抑製器的性能表現。

                          

隨著瞬態能量的增加，這種單級保護方案的不足會凸顯出來。 例(li)如(ru)當(dang)串(chuan)聯(lian)電(dian)阻(zu)的(de)功(gong)率(lv)增(zeng)加(jia)來(lai)限(xian)製(zhi)瞬(shun)態(tai)電(dian)壓(ya)抑(yi)製(zhi)器(qi)的(de)電(dian)流(liu)時(shi)，電(dian)阻(zu)自(zi)身(shen)上(shang)的(de)壓(ya)降(jiang)會(hui)影(ying)響(xiang)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)時(shi)的(de)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)水(shui)平(ping)。從(cong)而(er)也(ye)會(hui)影(ying)響(xiang)其(qi)通(tong)信(xin)環(huan)路(lu)的(de)傳(chuan)輸(shu)距(ju)離(li)。這(zhe)時(shi)我(wo)們(men)可(ke)以(yi)用(yong)三(san)級(ji)防(fang)護(hu)的(de)模(mo)式(shi)來(lai)做(zuo)到(dao)較(jiao)大(da)瞬(shun)態(tai)能(neng)量(liang)的(de)保(bao)護(hu)
，使(shi)其(qi)對(dui)傳(chuan)輸(shu)距(ju)離(li)影(ying)響(xiang)最(zui)小(xiao)
，占(zhan)用(yong)的(de)版(ban)麵(mian)空(kong)間(jian)也(ye)最(zui)小(xiao)。

下頁內容：三級防護方案的實現

、TBU® 高速保護器的工作原理

[page]
實現有效的電路防護

圖表2 所示，三級防護方案提供了最佳的方案。它使RS-485 收發器承受更高等級的防護。此方案采用瞬態電壓抑製器次極防護，美國柏恩(Bourns® ) TBU®高速保護器用來協調匹配，金屬氧化物壓敏電阻或者氣體放電管用於初級保護各個保護元器件協同合作，可以使RS-485 更加強壯，承受更高等級的防護
，遠遠優於單級保護的作用。

                   

三級防護方案的實現

圖2 suoshisanjifanghufanganxietonghezuodadaobaohudemude。xuanzebutongdeyuanqijianshixianqishuntaibaohuzaijiekoushuntainengliangzhurudedifang。jinshuyanghuawuyamindianzuhuozheqitifangdianguankeyibaohuTBU®高速保護器不被大的瞬態電壓破壞，當線路中的電流超過了TBU®高速保護器的限製電流
，美國柏恩(Bourns® ) TBU®高速保護器會在1 微秒之內限製電流流入後端設備，TVS 二極管僅靠著RS-485 傳輸器可以很好的嵌位其電壓，使RS-485 信號在其規定的電壓信號內正常傳輸。

理解Bourns® TBU® 高速保護器的工作原理

美國柏恩(Bourns® ) TBU® 高速保護器的TBU-CA 係列產品是低容值，單路雙向


，高速線路保護器件，采用了高壓MOSFET 半導體工藝。TBU® 高速保護器用來保護電路的短路故障，交流電搭接，交流電串擾
，雷擊浪湧
，並且可以恢複使用。TBU® 高速保護器具有前所未有的反應速度
，布線簡單，封裝尺寸隻有6.5x4mm 大小。美國柏恩(Bourns® )TBU® 高速保護器采用表貼的DFN 封裝，完全符合RoHS 規範和無鉛製程。

三級防護的拓撲結構可以承受大的瞬態能量通過TBU® 高速保護器 1微秒的反應速度以及TVS和金屬氧化物壓敏電阻/氣體放電管的主次級防護。在正常工作情況下，TBU® 高速保護器表現為一定電阻特性串聯在工作線路中。當瞬態電流增加超過TBU® HSP的觸發電流時，TBU®高速保護器關斷為高阻狀態
，有效地截止了瞬態電流對RS-485收發器的影響。美國柏恩(Bourns® ) TBU® 高速保護器的響應速度非常迅速一般在1us zhinei
，bingqieyongyoujiaokuandegongzuopinduan。zairenhexingshidexianluzhong，dianlixianchuanraohegaonengliangmaichongdoushiyigemingxiandetiaozhan
，youqishizaiyouxiandebanmiankongjianxia。ruqiansuoshu，shuntaidianyayizhiqierjiguanhedianzuxingchengdedanjibaohufangankeyiyouxiaodibaohuzhongdijibiedeshuntaibaohudanbufaduidianlixianchuanraohedadianliutigongyouxiaobaohu。meiguobaien(Bourns® ) TBU®高速保護器可在很小的貼片封裝裏有效的抵擋265V 的電壓和20KA 以上的浪湧電流。為演示三級防護方案的防護能力采用圖三所示的線路，100 歐姆的負載電阻在實際電路中不需要使用。此線路用來模仿應用電路中負載的特性。

            

三級防護線路中正確選擇主次級保護器

使用初級保護器的目的在於保護美國柏恩(Bourns® )TBU® 高速保護器不被過電壓損壞掉,通過初級保護器的電壓嵌位或者泄放的脈衝電流一定要小於器件的額定通流量.Isurge=Vgenerator/Rgenerator, Isurge 以IEC61000-4-5 中規定的瞬態威脅為基礎。次級電壓保護器的電壓選擇必須保證RS-485 收發器不受大於其最大承受電壓的威脅。由於TBU® 高速保護器是小於1 微(wei)秒(miao)的(de)快(kuai)速(su)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)，所(suo)以(yi)隻(zhi)有(you)很(hen)小(xiao)的(de)電(dian)流(liu)通(tong)過(guo)級(ji)次(ci)電(dian)壓(ya)保(bao)護(hu)器(qi)。電(dian)容(rong)值(zhi)是(shi)主(zhu)次(ci)級(ji)電(dian)壓(ya)保(bao)護(hu)器(qi)的(de)另(ling)外(wai)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)。如(ru)果(guo)超(chao)過(guo)了(le)傳(chuan)輸(shu)界(jie)麵(mian)允(yun)許(xu)的(de)最(zui)大(da)電(dian)容(rong)值(zhi)，那(na)麼(me)節(jie)點(dian)的(de)帶(dai)寬(kuan)就(jiu)會(hui)受(shou)到(dao)相(xiang)應(ying)的(de)限(xian)製(zhi)。這(zhe)個(ge)電(dian)容(rong)值(zhi)是(shi)數(shu)據(ju)線(xian)，連(lian)接(jie)器(qi)和(he)線(xian)路(lu)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)的(de)影(ying)響(xiang)總(zong)和(he)。能(neng)估(gu)算(suan)到(dao)的(de)數(shu)據(ju)線(xian)和(he)連(lian)接(jie)器(qi)的(de)最(zui)大(da)容(rong)值(zhi)將(jiang)決(jue)定(ding)你(ni)所(suo)用(yong)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)的(de)容(rong)值(zhi)大(da)小(xiao)。

瞬態浪湧測試數據

如下的示波器波形有助於理解TBU®高速保護器在不同的瞬態浪湧等級和電力線串擾等方麵的三級保護方案中的性能.用如圖3 所示的線路進行演示,不難發現次級的瞬態電壓抑製器中流過的能量已經很小,TBU 上麵流過的電流相對於浪湧電流來說也是微乎其微。

               

下頁內容：瞬態浪湧測試數據

[page]
                

                

              
              

以上所示的電力線串擾和瞬態脈衝測試很好的證明了TBU® 高速保護器在線路中限製負載電流的快速響應性能。 此外這種三級防護的結構使設計者更輕鬆的選擇主次級電壓保護器來達到預期的保護效果。

使用TBU®高速保護器處理直流電源故障

工業通信係統中直流總線用於繼電器控製或者製動器是非常普遍的。當直流電源總線錯誤安裝或者錯誤搭接在RS-485 的差分信號線上時
，其後果非常嚴重。TBU® 高速保護器用在線路中可以很好的過流保護作用並且是多次可恢複式的。圖9 所示的電路利用P40-G240-WH 高速保護器來處理±24 V 電源故障。

使用TBU® 高速保護器處理直流電源故障

圖9 使用TBU® 高速保護器處理直流電源故障TBU®高速保護器上電壓超過 Vreset (典型值為7V)，TBU® HSP 為呈現出高阻狀態。當發生直流電源故障時，晶閘管（TISP4015L1BJ）用於泄放故障電流。通過TBU® 高速保護器上麵的24V 電壓超過了P40-G240-WH 的Vreset， 使其進入保護模式。當24V 的故障被排除，TBU® 高速保護器會重置
，RS-485 會重新正常工作。P40-G240-WH 可以處理不超過40V 的電源故障。
         
結合圖3 的瞬態浪湧保護方案和圖9 的直流電源故障方案
，快速的瞬態浪湧保護和交直流電力線串擾可以用圖10 所示的方案完好的實現。

下頁內容：Bourns RS-485 應用測試板

[page]

          

圖10 中
，在氣體放電管用來處理大的能量脈衝的同時
，金屬氧化物壓敏電阻用於ESD/EFT 的防護，這樣可以防止TBU-CA085 上高於850V的電壓。在P40-G240 前
，背靠背的二極管用於保護P40-G240-WH，使線上電壓不超過40V。 直流電源故障依靠晶閘管（TISP4015L1BJ）和P40-G240-WH 協作防護。

Bourns RS-485 應用測試板

我們有兩種使用了TBU-CA 係列的測試板供給廣大用戶。RS-485 測試板1 是使用了氣體放電管的方案
，它可以支持寬的帶寬（信號損耗較少），因為氣體放電管的極間電容小於1pf. RS-485 測試板2 可以在10MHZ 以上的信號係統中使用
，它的主級保護器使用的是金屬氧化物壓敏電阻,它可以提供一個低成本的RS-485 方案，通流能力可以達到2.5KA。這兩個方案可以給客戶提供一個比較靈活的選擇。

           
             
總結

推薦的三級防護方案以美國柏恩(Bourns® ) TBU®高速保護器為特色提供了一個性能優越於同類競爭對手的方案。設計工程師可以充分利用此方案來提高RS-485 接口的瞬態浪湧防護等級。它具有明顯的抗交流電串擾，ESD
，EFT 防護能力。美國柏恩提供的RS-485 接口保護方案結合柏恩 TBU®高速保護器限製流入的電壓和能量,加上初級保護的氣體放電管或者金屬氧化物壓敏電阻以及次級保護的TVS 二極管使得防護方案變得簡單容易.使用TBU® 高速保護器的方案可以使RS-485 接口過壓保護和過流保護等級大幅度提高.