Bourns RS-485系統瞬態浪涌防護解決方案

　　其中RS-485差分通信接口將送/收之信號線結合，共同使用同一對傳輸線， 傳輸線總長度更可達1.5公里之譜，具有因應工業現場通信節點多、位置分散、通信距離遠及使用最少線材等要求，故非常適合應用于工廠的程控；又由于程控系統設計之安裝和調試過程中需承受嚴苛條件，在瞬態浪涌和雷擊等條件下亦要能夠繼續工作；基于此，美商柏恩Bouns設計出一個完整解決方案如Bourns TBU High-Speed Protector （HSP）， MOV（金屬氧化物壓敏電阻），GDT（氣體放電管），TVS（瞬態電壓抑制器）等，協助設計工程師有效提高RS-485接口的瞬態浪涌防護等級。

　　RS-485常應用于樓宇自動售貨機，安防監控系統等，其特點為短距離傳輸時速度為35Mbps,長距離時速度可達100 kbps. RS-485系統更堅固于其他傳輸形式，其信號采用二線制的差分信號，即一條導線上的電壓是另一條導線電壓的取反值，接收器輸入電壓為兩跟導線電壓的差值，由于兩條線路傳遞之電流大小相同、方向相反故具有較強的抗共模干擾能力，例如地干擾或者馬達的感應噪聲等。同時它采用較高于常用通信系統的電壓使它比其他通信網路和系統更加堅固。

　　但由于外界環境或者大的感性負載等原因，瞬態脈沖和浪涌也會在其數據在線產生，而在長距離傳輸中亦容易發生線錯接或短路等問題，這都將導致其性能下降而影響到整個系統的數據傳輸。

　　每個串口設計都要服從推薦的電壓范圍，RS-485 定義了保護的多少當其電壓超過-7V到12V.如果環境要求總線要承受24V,那么額外的保護措施是必要且需符合其原有標準。美國Bourns可以提供各種不同種類的過電流，過電壓線路保護技術。具體器件選擇取決于實際應用及工作電路之具體要求。

　　RS-485 界面的防護

　　次級保護方案

　　RS-485之電路保護解決方案常包含一個TVS二極管數組，這種單級保護方案可有效地嵌位信號總線上瞬態的脈沖電流。Bourns的CDSOT23-SM712為單顆雙向組件，當電壓超過了-7V到12V時，提供RS-485過電壓保護；TVS二極管和一個串聯電阻Rx的網絡來實現低等級的保護，適合RS-485系統之室內應用。而其封裝方式采用100%錫制接點，并與無鉛制程兼容，符合許多工業和政府關于無鉛零組件的規范。

　　三級防護方案

　　隨著瞬態能量增加，單級保護方案則顯得不足；在任何形式的線路中，電力線串擾和高能量脈沖皆為明顯之挑戰，TVS二極管及電阻所形成之單級保護方案，僅能抵擋中低級別瞬態電壓，但電力線串擾與大電流發生時，則無法發揮保護功能；此時，采用TVS次極防護，搭配Bourns TBU HSP用來協調匹配，MOV或者GDT用于初級保護之三級防護模式提供絕佳解決方案，大大提升RS-485防護等級。

　　三級防護模式不僅能夠實現較大瞬態能量的保護，對于傳輸距離影響最小，更節省所需之版面空間，解決主板面到臨空間不足的問題。該防護方案利用不同元器件相互協同合作達到有效的電路防護。MOV或GDT之作用為保護Bourns TBU HSP免于瞬態電壓之破壞；Bourns TBU HSP則可限制過大電流流入后端設備之中，當線路中電流超過Bourns TBU HSP之電流限制，該原件將于1微秒之內啟動其保護機制，；TVS二極管則搭著RS-485傳輸器嵌位其電壓，使得RS-485信號在規定之電壓信號范圍內正常運作。如下圖（圖1）所示：

圖1

理解Bourns TBU 快速保護器的工作原理

　　Bourns TBU HSP電路保護解決方案，可防阻來自電路的短路故障、交流電搭接、交流電串擾及雷擊浪涌之威脅。Bourns TBU HSP之TBU-CA系列為低容值、單路雙向、可自動恢復、高速線路組件， 采用了高壓MOSFET半導體工藝。該組件擁有快速反應能力，可于1微秒間啟動防護機制，有較寬之工作頻段、布線簡單、體積小，封裝尺寸僅6.5x4mm,并采用表面黏貼之DFN封裝，完全符合RoHS規范和無鉛制程。

　　結合TVS和MOV/GDT的主次級防護，使RS-485接受較高等級之保護； 當瞬態電流增加超過Bourns TBU HSP觸發電流時，該裝置將處于高阻狀態，有效截斷瞬態電流對RS-485收發器的影響。

　　Bourns TBU HSP能夠解決版面空間之不足之挑戰，于極小貼片封裝，有效提供265V電壓及20KA以上之浪涌電流保護。如下圖：

圖2

　　三級防護線路中正確選擇主次級保護器

　　初級保護方案在于保護Bourns TBU HSP不受過電壓毀損，通過初級保護器之電壓箝位與泄放之涌浪電流將小于組件之額定通電流，其以IEC61000-4-5定義之瞬態威脅為基礎

　　次級保護方案之電壓選擇比需保證RS-485 收發器不受大于其最大承受電壓的威脅，故將只有很小的電流通過級次電壓保護器。

　　電容值是數據線，連接器和線路保護器件的影響總和；其為主次級電壓保護器之外，另一考慮因素，故估算數據線和連接器的最大容值將決定所用保護器件之容值大小。