工業RS－485網絡的總線電纜通常與工業直流（DC）電源總線共用一根導管，而且由于電纜接線錯誤以及電纜劇烈彎曲而引起的絕緣損壞，可能會引起數據與電源導體間短路。在這些故障下保持運行，需要過壓保護收發器，其總線端子需具備高于最大可能DC電源電壓的高DC與交流（AC）隔離電壓。

然而，要保護總線數據線免受更高過電壓瞬變（例如雷擊）的影響，需要具有特定開關特性的瞬態電壓抑制器（TVS）。

本文討論了過壓保護收發器和TVS的組合，其可保護RS－485數據線免受靜電（ESD）、瞬態脈沖干擾（EFT）和電涌瞬變的影響，特別是在工業DC總線中，24V額定電壓可承受高達36V的電壓偏移。

具備過壓保護（OVP）的RS－485收發器

如圖1所示的收發器能夠承受高達±60V的AC和DC過電壓。其中，一條總線可保持在＋60V，另一條總線則位于－60V。這樣便產生120V的顯著差分電壓。根據EIA－485，瞬態情況甚至可高達±80V。

被禁用的收發器僅依賴其輸出晶體管的高擊穿電壓，因此很容易承受如此高的電壓。但是，過電壓通常在最不恰當的時間發生，例如數據傳輸過程中。在這種情況下，將啟用其中一個總線驅動器，將足夠的電流延電路泵送，以便遠程接收器進行檢測。

雙折返限流

為了防止對驅動器造成嚴重損壞，需要一種巧妙的限流方案，使驅動器能夠在任何情況下都可以傳輸數據并在發生故障時限制其電流。受故障保護的收發器具備帶雙折返電流限制的驅動級，通常提供比RS－485標準所規定更寬的共模范圍。

圖2顯示了圖1中受故障保護的收發器的限流功能。它在±20V的寬共模范圍內工作。第一個折返電流約為63mA，可確保在整個40V（±20V）共模范圍內驅動負載時，驅動器永不折返。然后，較低的第二折返電流電平（約13mA）將過壓故障期間的功耗降至最低。這種限流方案可確保即使在共模或過壓范圍的極端情況下，驅動器輸出電流也不會超過RS－485規范。

在發生嚴重短路的情況下，收發器還提供熱關斷功能，即在芯片溫度過高時禁用驅動器。如此可將功耗降至零，并使芯片冷卻。芯片溫度下降約15°C后，驅動器將自動重新啟用。如果故障仍然存在，則將重復執行熱關斷／重新啟用的循環，直至故障清除。接收器在熱關斷期間保持可操作狀態，且無論驅動器啟用、禁用亦或IC掉電，故障保護都處于活動狀態。

收發器內部ESD保護

收發器內部ESD保護通過可控硅整流器（SCR）實現。這些設備具有快速回跳而非齊納（Zener）特性。當外部電壓超過其觸發電壓閾值時，它們開始導通。由于驅動器輸出晶體管的擊穿電壓很高，觸發閾值為±70V，以防止在正常操作期間誤觸發。圖3（藍色）顯示了收發器的對稱回跳特性。

將觸發閾值設置為遠遠超出操作極限的好處在于可以使用多種TVS設備，這些設備的高鉗位電壓仍低于觸發閾值。

具有高DC隔離度的瞬態電壓抑制器（TVS）

許多TVS設備保護三種主要類型的過電壓瞬變：ESD、EFT和電涌。但是，為了承受高達36V的直流電勢，TVS必須具有相近的工作電壓和超過40V的反向擊穿電壓。請注意，進入TVS的工作電壓的泄漏電流要保持在1mA以下。隨后發生反向擊穿，器件開始輕微導通，電流增加到10mA。

圖4表示這種TVS器件，其內部結構由四個電流控制二極管和一個典型反向擊穿電壓為45V的中心回彈二極管組成。其I－V特性如圖3所示。

這種TVS具有高擊穿電壓和350mW的功率吸收能力，但其占板面積僅為2mmx1mm。端子1和3連接至數據線，而端子2、4和5接地。

有兩種接線方式。使用一個TVS保護兩條數據線會導致不對稱的鉗位曲線。為了清晰起見，僅顯示了一根導線的電流路徑。向A和B導線施加正極性的測試脈沖會導致瞬態電流流過轉向二極管和中心回跳器件。對于負脈沖，電流僅流過單個二極管。圖3以黑線顯示了非對稱鉗位特性，用引腳1或3至2、4、5表示。

使用兩個TVS器件，并于每條數據線放置一個TVS，將產生對稱的鉗位特性，在圖4中用引腳1至3表示。此處未連接接地引腳2、4和5。取而代之的是，I／O端子之一（1或3）連接至數據線，另一端子接地。因此，用于正脈沖和負脈沖的瞬態電流保持對稱。

如圖3所示，TVS設備的觸發閾值低于收發器內部SCR的觸發閾值，從而防止了內部與外部保護方案之間的相互作用。

最終電路設計

單個TVS解決方案的非對稱鉗位極大地限制了收發器在負共模電壓下的共模范圍。因此，應僅在共模變化較小的應用中使用此解決方案，否則，請各使用一個TVS保護每條線路。，增加的2mm2占板面積讓您可以享受完整的±20V共模范圍，并確保達到RS－485規范。TVS的另一個好處是其低結電容為4pF（最大值）。這使您可以保護長距離網絡中的每個單個節點，也可以保護高速（40Mbps）點對點數據鏈路，而不會影響信號完整性。

當然，有一些設計技巧可讓您主動將過電壓瞬變的影響降至最低。回想一下，ESD和EFT脈沖的前半程在較低的納秒范圍內。這些瞬態時間導致了從30Hz到300MHz的頻譜范圍。因此，設計一個穩健的過電壓保護方案就變成了一個RF設計，具備對去耦和低電感返回路徑的所有要求。

因此，請確保您的GND和VCC參考平面是沒有孔或切口的真實銅平面；這確保了低電感的返回路徑。請注意，高頻信號遵循的是電感最小的路徑，而不是阻抗最小的路徑。這需要使用多層板。將信號走線布于頂層，其后分別是接地和VCC平面作為第二層和第三層。底層為路由控制信號，如DE和／RE啟用信號。

將TVS器件盡可能靠近板連接器放置，以防止瞬變穿透電路板。設計數據線走線使電流在流向收發器總線端子之前易于先流入TVS。典型的走線設計使用小型V型連接，如圖5所示。在靠近收發器及電路板上可能用到的其它IC的電源端子處使用去耦電容器。

最好使用一個電容值進行去耦；可通過并聯電容器得到更大的電容值。隨著頻率的增加，電容器的電抗首先體現為電容性，然后為電感性。應用多個電容值可能會導致一個電容值的電感與另一個電容值的電容形成一個LC槽路，從而導致顯著的電磁干擾（EMI）。

TVS器件和去耦電容器至少要使用兩個接地過孔，以使過孔電感最小。

結論

過壓保護收發器（也稱為故障保護收發器）與現代瞬態電壓抑制器的結合可縮減過壓保護設計的成本與電路板空間，并大大減少設計及開發時間。

瑞薩電子擁有一系列OVP收發器產品，這些收發器與SemtechTVS器件結合使用可為各種應用提供多種瞬態保護解決方案。

關于作者

TomKugelstadt是瑞薩電子美國的高級應用工程師，負責為工業系統定義全新高性能模擬產品。他畢業于法蘭克福應用科技大學工程學，在模擬電路設計方面擁有超過35年的專業經驗。