基于RS485的傳收器雷擊保護功能方案設計

智能電網 (Smart Grid) 是目前全世界重要的節能減碳政策之一，其中具有可長距離通訊的RS485網絡，是智能電網中關鍵的傳輸接口。RS-485傳輸線一般架在室外或沿電纜鋪設，所以常發生因雷擊在傳輸線上引起瞬變干擾而損壞器件。此外，RS-485網絡一般是Party-Line (or Bus)結構，即一條總線(Bus)連接數十至數百個RS485傳收器(Transceiver)。因此，雷擊浪涌(Surge)產生電壓突波可能會導致傳輸線上數百個RS-485傳收器的損壞。故任何的電壓突波保護措施是RS-485實際使用中必須考慮的問題，也是提高系統可靠性及安全性重要的措施。晶焱科技本持著在ESD領域的專業設計經驗，推出具有IEC61000-4-5 (8/20μs) ±30A雷擊功能的RS485傳收器 (AZRS3082)，AZRS3082是目前市面上雷擊保護功能最強大的RS485傳收器。

AZRS3082具有最強大的ESD保護功能

在傳統的RS485傳收器中，為了符合DL/T 645的標準，傳輸線接口A,B兩端會有HBM 15kV的規格，但在實際應用上，這樣的防護是不夠的。所以目前一般的解決方法是在RS-485傳收器外部加上瞬變電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressor, TVS)來防止電壓突波，但一般的TVS很難做到大功率，所以在雷擊浪涌到來時，瞬間大能量會直接損壞一般的TVS，尤其是整合到芯片中的TVS更是脆弱，所以設計上還是需要外加雷擊浪涌保護組件。

目前外加的雷擊浪涌保護組件有氣體及陶瓷放電管、壓敏電阻及TVS三種。放電管的耐電流能力很強，但是其反應速度慢，箝制電位也非常高(約為800V左右)，這樣的特性使其保護效果大打折扣，常會遇到即使加了放電管，受保護組件仍會損害。壓敏電阻其寄生電容大，導通電阻也高，且低電壓的壓敏電阻漏電流大，也不適合用于RS-485接口保護。傳統利用半導體制作的TVS雖然反應速度極快，但其耐高電壓、高電流的能力不足，所以難以抵擋雷擊浪涌的沖擊。

晶焱科技陳志豪博士指出：『晶焱科技本持著開發高可靠性、高安全性的接口傳輸IC為目標，為了使系統客戶的設計更簡單、更有效率為宗旨。』陳博士更進一步指出：『具有強大雷擊防護功能的TVS，一般是不容易整合到傳統CMOS IC中，但晶焱科技本持著ESD專業設計的背景，克服了許多技術的瓶頸，終于做到了！』。這內建特殊TVS的Transmission-Line-Pulse (TLP)雙向特性如圖一所示。與他家內建雷擊保護傳收器的雷擊浪涌的測試特性比較圖，如圖二所示。由圖中可以看出AZRS3082不僅可承受的更高的雷擊浪涌電流，且具有更低的雷擊箝制電壓(Surge Clamping Voltage)，當TVS雷擊箝制電壓越低，其對芯片的保護效果會越好。

此內建特殊TVS的RS485傳收器也提供系統級靜電放電保護，使得傳輸線接口A,B端受到更完整的保護，其RS485傳輸端A,B的ESD規格如下：

1. IEC 61000-4-2, 接觸模式Contact Discharge ±30 kV

2. IEC 61000-4-2, 空氣放電模式Air-Gap Discharge ±30 kV

3. IEC 61000-4-2, 電子快速脈沖模式EFT (5/50ns) 4.4 kV

4. IEC 61000-4-5, 雷擊浪涌Surge (8/20μs) ±30 A

除了傳輸端A,B具有完整ESD防護外，AZRS3082內建整體防護，Human Body Model (HBM) 靜電放電保護更是每一PIN腳均符合DL/T 645標準 (JEDEC人體模型HBM 15kV)，其全芯片ESD保護架構如圖三所示。除此之外，為了工業級的應用其Machine Model(MM) 測試高達800V，使其在Profibus(工業自動控制)的應用有最高的安全性。在芯片自我防護方面，AZRS3082的Charge Device Model (CDM) 防護能力高達2kV，這使得芯片因制程環境不良所累積過多電荷時可以強大自我保護作用。在穩定性及可靠性上，AZRS3082具閂鎖防制能力（Latchup Immunity）高達400mA，所以可使用在高噪聲的環境下而無虞。

圖一 AZRS3082芯片內建防雷擊TVS之TLP 雙向曲線圖。