作者：德州儀器Kaitlyn Mazzarella
RS-485收發(fā)器設(shè)計旨在應(yīng)對惡劣的工作環(huán)境。除了能夠適應(yīng)嘈雜的工廠環(huán)境外，RS-485收發(fā)器還可以在戶外環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，抵御雷擊等導(dǎo)致的電壓浪涌對通信的干擾。
那么，您如何確信您的RS-485收發(fā)器能夠應(yīng)對高電壓浪涌事件？
為幫助工程師確定系統(tǒng)的浪涌保護(hù)等級，國際電工委員會設(shè)立了IEC 61000-4-5浪涌標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)對戶外通信應(yīng)用至關(guān)重要，如遠(yuǎn)端射頻單元、空調(diào)單元和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）監(jiān)控攝像頭。
為確保您的系統(tǒng)能夠應(yīng)對各種突發(fā)的自然狀況，您需要認(rèn)真了解這一標(biāo)準(zhǔn)。本文重點(diǎn)介紹了防止系統(tǒng)免遭戶外浪涌因素影響的多種保護(hù)方法，同時還說明了如何優(yōu)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)節(jié)省空間、減少組件的效果。
在運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)浪涌保護(hù)
觀看視頻“RS-485通信的集成浪涌保護(hù)”，了解TI RS-485收發(fā)器如何幫助設(shè)計人員在惡劣環(huán)境中運(yùn)行，同時消除外部系統(tǒng)保護(hù)組件。
什么是IEC 61000-4-5浪涌抗擾度標(biāo)準(zhǔn)？
IEC 61000-4-5浪涌標(biāo)準(zhǔn)是RS-485收發(fā)器必須通過的一項(xiàng)嚴(yán)苛測試；測試會模擬一次雷擊或工業(yè)浪涌。圖1對比了RS-485收發(fā)器需要執(zhí)行的三種常規(guī)測試。相比4kV的電快速瞬變脈沖群（EFT）（紫線）和10kV的靜電釋放（ESD）（藍(lán)線）測試，0.5kV的浪涌（紅線）的持續(xù)時間更長、能量更高（原因是電源阻抗較低）。
圖1：與EFT和ESD測試對比的浪涌測試
對受到戶外因素影響的系統(tǒng)來說，浪涌抗擾是一種常見的強(qiáng)制性要求。IEC浪涌測試模擬電流涌入收發(fā)器，并且有不同的IEC標(biāo)準(zhǔn)分類等級（詳見表1）。系統(tǒng)級設(shè)計通常需滿足二級（1kV測試）或三級（2kV測試）要求。
表1：IEC 61000-4-5浪涌類別
保護(hù)系統(tǒng)免受浪涌事件影響的方法有以下兩種：（1）復(fù)雜的離散式解決方案：使用RS-485收發(fā)器和一些外部保護(hù)組件，或（2）使用集成了浪涌保護(hù)功能的RS-485收發(fā)器。我們先看離散式方案的要求，然后再看TI最新的RS-485收發(fā)器——THVD1429（以及低速版THVD1419）如何簡化解決方案。
離散式浪涌保護(hù)
瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管、互補(bǔ)金屬氧化物壓敏電阻（MOV）和氣體放電管等保護(hù)裝置常裝在收發(fā)器外部，目的是限制電壓、吸收浪涌電流。圖2所示為采用標(biāo)準(zhǔn)SN65HVD3082ERS-485收發(fā)器的RS-485 IEC ESD、EFT和浪涌保護(hù)參考設(shè)計，以及提供浪涌保護(hù)的其它外部組件。
圖2：采用離散式解決方案保護(hù)RS-485收發(fā)器，最多需要7個額外組件
采用這種方案，頭號難題就是使用額外組件進(jìn)行設(shè)計。第二個難題是，滿足浪涌標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)裝置很少——因此，組件的選擇勢必困難重重，而且價格昂貴。
通過使用MOV（圖中第6、7）將電流導(dǎo)至地面，圖2的設(shè)置就能實(shí)現(xiàn)浪涌保護(hù)。瞬態(tài)阻斷單元（TBU）（圖中第4、5）可限制電流進(jìn)入收發(fā)器。通過前面兩個階段的電流，還會受到TVS二極管（圖中第3）、限流電阻（R）（圖中第1、2）的進(jìn)一步限制。圖2所示的這4級保護(hù)，需要在電路板上安裝共計7個額外組件。這會帶來更多麻煩，如設(shè)計和組件選擇的復(fù)雜度更高、所需的電路板空間更大、材料清單上的組件更多。
集成浪涌保護(hù)功能，降低設(shè)計復(fù)雜度
相比復(fù)雜、昂貴、占空間的設(shè)計以及多種外部保護(hù)組件，THVD1429可助您簡化系統(tǒng)。THVD1429是一款強(qiáng)大的RS-485收發(fā)器，集成了TVS保護(hù)，能承受2.5kV的浪涌。這款收發(fā)器無需外部保護(hù)組件，滿足IEC 61000-4-5的三級（2kV）標(biāo)準(zhǔn)。
圖3中所示的RS-485收發(fā)器的系統(tǒng)級設(shè)計，不同于圖2的離散式方案，這里采用的是集成式解決方案。這套解決方案不但省去了幾個外部保護(hù)組件，而且THVD1429符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8引腳小型集成電路（SOIC-8）封裝還能快速、便捷地評估和升級當(dāng)前的收發(fā)器。
圖3：采用THVD1429或THVD1419的集成解決方案（2.5kV浪涌保護(hù)）
除2.5kV的集成浪涌保護(hù)外，RS-485收發(fā)器系列還有多款其他常見類型的保護(hù)器，包括8kV的接觸放電ESD（IEC 61000-4-2）、4kV的EFT(IEC 61000-4-4)和16kV的人體模型ESD。這些收發(fā)器的片上保護(hù)功能大幅提升了設(shè)備和終端裝置的穩(wěn)定性。所以，無論您的目標(biāo)是簡化設(shè)計、還是節(jié)省時間、節(jié)約電路板空間，亦或是減少材料、提升浪涌保護(hù)評級，THVD1429 RS-485接收器系列都能讓您的設(shè)計完美應(yīng)對戶外挑戰(zhàn)。
其他資源
如需瀏覽THVD1429在多種數(shù)據(jù)速率和距離下的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和抖動測量結(jié)果，請參閱應(yīng)用說明：“RS-485收發(fā)器的信號完整性與數(shù)據(jù)速率和電纜長度?！?/p>
如需了解EFT等其他類型的保護(hù)裝置，請參閱德州儀器在線支持社區(qū)博客系列：“什么是EFT？”
使用TI的“RS-485半雙工評估模塊用戶指南”評估THVD1429或其他TI RS-485收發(fā)器。
