如何避免浪涌對(duì)通訊總線的影響？

各位工程師在工業(yè)通訊現(xiàn)場(chǎng)，最擔(dān)心的是通訊網(wǎng)絡(luò)因浪涌產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)壓和過(guò)流，導(dǎo)致總線通訊網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)發(fā)送錯(cuò)誤信號(hào)甚至系統(tǒng)癱瘓的現(xiàn)象，為避免這一類事故的發(fā)生，在前期設(shè)計(jì)中應(yīng)如何進(jìn)行防護(hù)呢?這里將為你揭曉。

一、浪涌簡(jiǎn)介

在工業(yè)通訊現(xiàn)場(chǎng)，雷電過(guò)電壓、落雷引發(fā)出的誘導(dǎo)雷浪涌，還有電源系統(tǒng)(特別是帶很重的感性負(fù)載)開(kāi)關(guān)切換引起的浪涌，這些浪涌產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)壓和過(guò)流，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)總線通訊網(wǎng)絡(luò)癱瘓甚至使元器件發(fā)出錯(cuò)誤的信號(hào)，會(huì)給用戶帶來(lái)很大的損失?，F(xiàn)在防雷、防浪涌和防過(guò)電壓這些都是總線設(shè)計(jì)必須考慮的因素，今天小編就和大家聊一聊常用總線防浪涌保護(hù)的那些事兒。

通常所說(shuō)的防浪涌，有兩個(gè)類型：一個(gè)是共模，一個(gè)差模。雷電或大電流切換時(shí)產(chǎn)生的浪涌一般是共模的，差模形式的浪涌往往是由于數(shù)據(jù)電纜附近有高壓線經(jīng)過(guò)，數(shù)據(jù)線纜和高壓線之間因絕緣不良而產(chǎn)生的，雖然差模比共模產(chǎn)生的電壓和電流小得多，但它不像共模那樣只維持很短的時(shí)間，而會(huì)在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在。光耦或磁耦器件標(biāo)稱的耐壓是共模，也就是前端到后端之間的耐壓。如果超過(guò)這個(gè)耐壓，前端后端都一起燒壞;元器件不會(huì)標(biāo)稱差模的耐壓，差模耐壓能力由電路的設(shè)計(jì)決定，差模電壓超過(guò)電路承受范圍，前端燒壞，后端不會(huì)燒壞。

二、常規(guī)浪涌防護(hù)方案——分立方案

防浪涌電路通常分為隔離法和規(guī)避法。隔離法就是采用光耦合器或磁耦合器，將輸入和輸出信號(hào)隔離分開(kāi)，只要浪涌產(chǎn)生的電壓幅值不超過(guò)器件標(biāo)稱的值，光耦或磁耦就不會(huì)損壞，即使浪涌電壓長(zhǎng)時(shí)間存在也不會(huì)對(duì)隔離的設(shè)備產(chǎn)生損害。這類隔離法只能抑制共模形式的浪涌，不能抑制差模形式的浪涌。(這里說(shuō)的浪涌，主要是由于落雷而發(fā)生的誘導(dǎo)雷浪涌、電路系統(tǒng)內(nèi)浪涌等，直擊雷不屬于討論范圍)。

規(guī)避法就是主設(shè)備的地連在一起形成單點(diǎn)接地，一旦有浪涌出現(xiàn)就可安全轉(zhuǎn)移浪涌能量，此外有必要增加一些抑制浪涌的器件。能將浪涌所產(chǎn)生的有害電流在到達(dá)數(shù)據(jù)端口前泄放到地回路中去的器件，主要有Tvs管、壓敏電阻、氣體放電管，它們都有一個(gè)鉗位電壓，一旦超過(guò)該鉗位電壓，器件就會(huì)在連接點(diǎn)之間產(chǎn)生一個(gè)低阻抗，從而轉(zhuǎn)移有害的電流。

如果將隔離法和規(guī)避法相結(jié)合，就可以更好地保護(hù)系統(tǒng)。規(guī)避器件一方面可抑制浪涌保護(hù)隔離器件，也可以抑制總線上產(chǎn)生的差模形式浪涌。隔離器件抑制共模形式浪涌，保護(hù)主設(shè)備。兩者相輔相成，能夠更好地保護(hù)總線設(shè)備。

舉個(gè)例子，CAN的接口防護(hù)一般是在收發(fā)器外加隔離保護(hù)器件，如光耦、磁耦等。為接口設(shè)計(jì)方便，我們可以使用一體化的收發(fā)器模塊，和自主搭建電路比，使用方便，簡(jiǎn)化電路，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。這類加隔離模塊防共模浪涌設(shè)計(jì)比較常見(jiàn)就不多做贅述了。這里重點(diǎn)談一下增加差模形式浪涌防護(hù)的方法。常用規(guī)避保護(hù)的器件有GDT、TVS以及共模電感。如圖1所示，GDT被放置于接口最前端，提供第一級(jí)的雷擊浪涌防護(hù)。當(dāng)雷擊、浪涌產(chǎn)生時(shí)，GDT瞬間達(dá)到低阻狀態(tài)，為瞬時(shí)大電流提供泄放通道，將CAN_H、CAN_L間電壓鉗制在二十幾伏范圍內(nèi)。后端的TVS提供第二級(jí)浪涌防護(hù)，具體規(guī)格可根據(jù)需求選擇。

圖1增加防差模形式浪涌功能的CAN接口電路

三、高效浪涌防護(hù)方案——模塊方案

上圖所示的接口電路雖然能夠提供有效的防護(hù)，但是需要引入較多的電子器件，這也就意味著接口電路將占用更多的PCB空間，若器件參數(shù)選擇不合適易造成EMC問(wèn)題。有沒(méi)有更好的辦法呢?致遠(yuǎn)電子已經(jīng)為小伙伴們?cè)O(shè)計(jì)了專業(yè)的信號(hào)浪涌抑制器SP00S12，這種小體積模塊采用灌封材料，結(jié)合致遠(yuǎn)隔離模塊，使電路輕松滿足IEC61000-4-5 ±4KV 的浪涌等級(jí)要求，可用于各種信號(hào)傳輸系統(tǒng)，抑制雷擊、浪涌、過(guò)壓等有害信號(hào)，對(duì)設(shè)備信號(hào)端口進(jìn)行保護(hù)，非常適合于CAN、 RS-485 等通信領(lǐng)域的浪涌防護(hù)。具體如下圖。

圖2 CAN總線模塊防浪涌應(yīng)用電路

同樣道理，為 SP00S12 應(yīng)用于 RSM485PHT 串口通信中， 將 SP00S12 的信號(hào)端口與 RSM485PHT 模塊的差分信號(hào)端口 A、 B 連接，則可使 485 通信端口滿足 IEC61000-4-5 ±4KV 的浪涌等級(jí)要求。

圖3 485模塊防浪涌應(yīng)用電路

四、方案總結(jié)對(duì)比

總結(jié)一下，各個(gè)方法的特點(diǎn)基本上是這樣的：

表1 方案特點(diǎn)比較

針對(duì)電子、電氣設(shè)備浪涌保護(hù)設(shè)備，其實(shí)早就有據(jù)可依。IEC 61000-4-5就規(guī)定了設(shè)備對(duì)由開(kāi)關(guān)和雷電瞬變過(guò)電壓引起的單極性浪涌的抗擾度要求、實(shí)驗(yàn)方法和推薦的實(shí)驗(yàn)等級(jí)范圍。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個(gè)一致的實(shí)驗(yàn)方法，以評(píng)價(jià)設(shè)備和系統(tǒng)對(duì)規(guī)定對(duì)象的抗擾度。目的就是建立一個(gè)共同的基準(zhǔn)，以評(píng)價(jià)電氣和電子設(shè)備在遭受浪涌時(shí)的性能。

接下來(lái)做一下浪涌抗擾度測(cè)試，檢驗(yàn)一下浪涌抑制器是否滿足 IEC61000-4-5±4KV 防護(hù)要求，測(cè)試配置依據(jù) IEC61000-4-5 中非屏蔽對(duì)稱通信線進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試電路如圖 1 所示。 測(cè)試過(guò)程中向浪涌抑制器施加不同等級(jí)浪涌電壓，在其信號(hào)輸入輸出端測(cè)量電壓波形。

圖4 共模浪涌抗干擾度實(shí)驗(yàn)

以共模浪涌測(cè)試為例，在 SP00S12 浪涌抑制器的 A2、 B2 端施加如圖 2(a) 所示的 4KV、 1.2/50μs 浪涌電壓，在輸出端 A1、 B1 測(cè)試?yán)擞侩妷喝鐖D 2(b)所示，浪涌電壓已被被降低至 17.1V