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工业应用中 RS-485 总线的瞬态保护

电路保护

Bill Russell

Bill Russell

工业应用中 RS-485 总线的瞬态保护现代工业网络依靠强大的 RS-485 通信链路来进行长距离数据传输。这些网络在恶劣的电磁环境中运行,并且必须能够承受电气过载 (EOS) 事件而不损坏。Semtech 的保护产品事业部应用工程团队最近有机会与 Renesas Corporation 的工程师合作开发参考设计,以保护用于工业应用的 Renesas 故障保护 RS-485 收发器。

探索电路保护解决方案

RS-485 网络中的 EOS 威胁

工业 RS-485 网络中有两种主要的 EOS 威胁。首先是物理安装造成的威胁。工业直流电源电压的分配管道通常与 RS-485 网络相同。由于接线错误和绝缘断裂,电源和数据导体之间可能会发生短路。Renesas 的过压保护收发器具有隔离电压能力强的总线端子,可承受上述短路事件。第二种威胁源于 EFT、ESD 和雷击浪涌引起的瞬态过电压。要应对此类威胁,就需要外部保护器件。与其他保护技术相比,瞬态电压抑制 (TVS) 二极管具有快速响应时间和低钳位电压,因此是首选。

TVS 二极管选择参数

Semtech 的 TClamp®3602P 提供了理想的解决方案。在选择 TClamp3602P 时,需要考虑几个因素。首先,工作电压必须高于 RS-485 收发器的共模电压范围 (CMVR)。在此例中,收发器具有 +/-25V 的 CMVR,可用于工业直流总线。这些总线的标称工作电压为 24V,但电压偏移高达 36V。TClamp3602P 的工作电压为 36V,最低击穿电压为 40V,因此在正常工作条件下不会触发,即使在最坏的工业直流总线电压下也不会触发。其次,TVS 电容应该足够低,以免对信号传输产生不利影响。TClamp3602P 设计有内部转向二极管阵列,可将总电容降低至最大 4pF。该器件可用于长距离网络或高速 (40Mbps) 点对点数据链路。最后,触发和 TLP 钳位电压应低于收发器的内部保护电路,以免在浪涌事件期间损坏。Renesas 收发器的 TLP 分析显示,内部保护结构的触发电压大于 70V。TClamp3602P 中的主 TVS 芯片在 40-50V 之间触发,确保在收发器结构之前触发(图 1)。深折回特性最大限度地减少了受保护收发器上的压力。

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Figure 1 – Tclamp3602P IV Characteristic Curve © Semtech Corporation 2020

测试设计配置

Semtech 的应用实验室对两种设计配置进行了测试。在第一个设计中,一个 TClamp3602P 用于保护两条数据线(图 2)。尽管组件数量有所减少,但这种配置的不足之处是限制了收发器的共模范围。使用两个 TClamp3602P 芯片,每条数据线各一个(图 3),就可以利用收发器的整个共模范围,并充分发挥对称钳位特性。每种配置都依据 IEC 61000-4-2 (ESD)、IEC 61000-4-4 (EFT) 和 IEC 61000-4-5(浪涌)的标准和规范进行了测试。两种配置均通过了符合 IEC61000-4-2 标准的 ESD +/- 25kV ESD 接触放电测试和 +/-30kV ESD 空气放电测试,也通过了符合 IEC61000-4-4 标准的 +/- 2kV EFT 测试。对于浪涌,单个 TVS 配置通过了 IEC61000-4-5 的 1.75kV (tp= 1.2/50us) 测试;使用两个 TClamp3602P 芯片的配置在相同的测试条件下通过了 +/-3.0kV 测试。

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Figure 2 – Asymmetrical Clamping Solution with Partial Common-Mode Range © Semtech Corporation 2020

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图 3 – 具有全共模范围的对称钳位解决方案 © Semtech Corporation 2020

测试结果证实,TClamp3602P 和 Renesas 的过压保护收发器的组合为设计人员提供了一个在 RS-485 应用中易于实施、稳健的解决方案。

Renesas 提供详细的应用说明。

详细了解 Semtech 用于 RS-485 保护的 TClamp3602P。
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