您的RS-485通信能否經(jīng)受浪涌的考驗？

浪涌瞬變通常由開關(guān)操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關(guān)瞬變的起因可能是電力系統(tǒng)切換、配電系統(tǒng)中的負(fù)載變化或各種系統(tǒng)故障(例如安裝時與接地系統(tǒng)形成短路和電弧故障)。雷電瞬變的起因可能是附近的雷擊將較高的電流和電壓注入電路中。

RS-485收發(fā)器是為承受惡劣環(huán)境而設(shè)計，這意味著除了嘈雜的工廠環(huán)境外， RS-485收發(fā)器還必須能夠穩(wěn)定的在各種惡劣環(huán)境工作，因為雷擊、電壓跳變和系統(tǒng)故障等浪涌的來臨可能會干擾通信，甚至損壞芯片。

那么，如何能夠知道您的RS-485通信是否能夠在浪涌事件中幸存下來呢？

國際電工委員會建立了IEC 61000-4-5浪涌標(biāo)準(zhǔn)，以幫助工程師確定系統(tǒng)的浪涌防護級別。IEC 61000-4-5 標(biāo)準(zhǔn)對于在惡劣環(huán)境中的通信應(yīng)用至關(guān)重要，這些環(huán)境包括遠(yuǎn)程無線單元、空調(diào)單元、樓宇自動化、工廠自動化與控制、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、智能電表、過程分析和視頻監(jiān)控，等等。

了解此標(biāo)準(zhǔn)對于確保您的系統(tǒng)能夠承受惡劣環(huán)境給我們的挑戰(zhàn)至關(guān)重要。本文將重點介紹防護系統(tǒng)免受浪涌事件影響的不同方法，同時向您展示銘芯微電子如何為客戶優(yōu)化設(shè)計以節(jié)省空間、減少元件并節(jié)省成本。

集成浪涌防護節(jié)省空間和成本

銘芯微提供的RS485系列接口芯片，都集成了浪涌防護低電容TVS，在TVS后同時集成了10歐姆串聯(lián)限流電阻,相當(dāng)于集成了兩層額外的防護。在這里我們介紹銘芯微產(chǎn)品如何在幫助增強系統(tǒng)防護、抑制雷電或耦合噪聲瞬變、提高可靠性的同時節(jié)省空間并省去RS-485設(shè)計中用于RS-485通信浪涌防護的外部元器件，為客戶大幅降低成本。

什么是IEC 61000-4-5浪涌抗擾標(biāo)準(zhǔn)？

IEC 61000-4-5浪涌標(biāo)準(zhǔn)是在RS-485收發(fā)器上執(zhí)行的最苛刻的測試之一; 該測試模擬雷擊或工業(yè)浪涌事件。事實上，RS-485測試中的0.5 kV時浪涌的能量持續(xù)時間要高出15kV靜電放電（ESD）成千上萬倍。

浪涌防護是對惡劣環(huán)境條件下工作的RS-485系統(tǒng)的必要要求。IEC浪涌測試模擬電流涌入收發(fā)器，浪涌的等級按IEC標(biāo)準(zhǔn)分類（如表1所述）。1級（500V）標(biāo)準(zhǔn)適合于對工業(yè)自動化控制的工廠環(huán)境中發(fā)生的浪涌瞬變的防護。 2 級(1kV）或更高的浪涌瞬變有可能發(fā)生在發(fā)電或電網(wǎng)系統(tǒng)等環(huán)境中。

表 1：IEC 61000-4-5浪涌等級

防止浪涌的方法有兩種：（1） 使用復(fù)雜分立元件的解決方案，即用 RS-485 收發(fā)器和多個外部防護元件。 （2） 使用集成浪涌防護TVS的 RS-485 收發(fā)器。讓我們先來看看分立器件實現(xiàn)方法，然后我們再看看銘芯微的 RS-485收發(fā)器（比如MX485）如何能夠幫助客戶簡化這個解決方案。

用分立器件實現(xiàn)浪涌防護

瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管、金屬氧化物壓敏電阻(MOV)和瞬態(tài)阻斷單元等防護器件通常在收發(fā)器外部使用，以限制電壓并吸收浪涌電流。圖1顯示了采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-485半雙工收發(fā)器和提供浪涌防護所需的其它外部組件實現(xiàn)的浪涌防護的RS-485通信參考設(shè)計。

圖1：具有多達7個附加元件的分立式解決方案，用于對 RS-485收發(fā)器進行浪涌防護

這種方法的第一個挑戰(zhàn)是它需要使用額外的分立元件進行設(shè)計，第二個挑戰(zhàn)是符合RS485浪涌應(yīng)用要求的元器件很難找到。 這意味著元件選擇可能變得非常具有挑戰(zhàn)性和昂貴。

圖1中的設(shè)置可以通過讓MOV（圖中的6號和7號）將電流轉(zhuǎn)移到地來實現(xiàn)浪涌防護。瞬態(tài)阻斷單元(TBU)(圖中的4號和5號)限制進入收發(fā)器的電流。通過前兩級的任何電流都會受到TVS二極管(圖中3號)的分流和限流電阻(R)(圖中1號和2號）的進一步限制。如圖1所示，這四個級別的防護需要向電路板添加多達七個額外的元件。這可能會導(dǎo)致更多的挑戰(zhàn)，例如增加設(shè)計和組件選擇的復(fù)雜性，或需要更大的電路板空間以及增加物料清單中的組件。

通過集成浪涌降低設(shè)計復(fù)雜性

銘芯微的RS-485產(chǎn)品內(nèi)部集成了匹配的低電容TVS和串聯(lián)限流電阻, 所以不需外加浪涌防護組件，也不需要復(fù)雜、占地和昂貴的設(shè)計，這樣大大的簡化了客戶的系統(tǒng)。例如MX485是一款半雙工的RS-485收發(fā)器，自帶TVS浪涌防護器件，能夠為總線接口提供0.75kV（峰值350W）的浪涌防護，超過了1級(0.5kV)IEC防護指標(biāo)。增強版的MX485收發(fā)器能夠進一步提供1.5kV（峰值700W）的浪涌防護，超過了IEC61000-4-5對浪涌2級(1kV)的指標(biāo)要求。

需要強調(diào)的是銘芯微的集成TVS有一個獨特的性能，就是如果將幾個收發(fā)器并接在一起，其防浪涌能力會線性疊加并大幅增強。這使銘芯微能夠?qū)崿F(xiàn)RS-485總線防浪涌能力隨掛靠收發(fā)器的個數(shù)增加而增加。如圖2所示，2級防護(1kV)可以在掛靠2個以上收發(fā)器的總線上實現(xiàn)。3級(2kV) 或4級(4kV) 可以在掛靠3個或6個以上收發(fā)器的總線上實現(xiàn)。更高級別的浪涌防護都可以采用增加收發(fā)器的個數(shù)或者用添加虛擬收發(fā)器的方法來實現(xiàn)，而無需另加分立組件。

圖2：銘芯微 RS-485 總線浪涌防護能力隨掛靠收發(fā)器的增加而增強

請看圖3中RS-485通信的系統(tǒng)級設(shè)計，這次使用的是銘芯微電子的集成解決方案，而不是圖1所示的分立器件方法。集成方案不僅減少了多個外部防護元件，也使得這些收發(fā)器的評估和產(chǎn)品升級換代的工作變得快速而輕松。

圖3：采用RS485總線浪涌防護的集成解決方案

銘芯微電子收發(fā)器的片上防護顯著提高了器件和終端設(shè)備的可靠性，因此，無論您的目標(biāo)是簡化設(shè)計、減少電路板空間、節(jié)省成本、簡化物料清單還是要提高浪涌防護等級，銘芯微電子的RS-485收發(fā)器系列都可以為您設(shè)計符合惡劣環(huán)境下應(yīng)用的通信系統(tǒng)提供幫助。

審核編輯：湯梓紅