各位工程師在工業(yè)通訊現(xiàn)場，最擔(dān)心的是通訊網(wǎng)絡(luò)因浪涌產(chǎn)生的瞬態(tài)過壓和過流，導(dǎo)致總線通訊網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)發(fā)送錯誤信號甚至系統(tǒng)癱瘓的現(xiàn)象，為避免這一類事故的發(fā)生，在前期設(shè)計中應(yīng)如何進(jìn)行防護(hù)呢？這里將為你揭曉。
一、浪涌簡介
在工業(yè)通訊現(xiàn)場，雷電過電壓、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）開關(guān)切換引起的浪涌，這些浪涌產(chǎn)生的瞬態(tài)過壓和過流，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)出錯誤的信號，會給用戶帶來很大的損失。現(xiàn)在防雷、防浪涌和防過電壓這些都是總線設(shè)計必須考慮的因素，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。
通常所說的防浪涌，有兩個類型：一個是共模，一個差模。雷電或大電流切換時產(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，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間，而會在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中較長時間內(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。如果超過這個耐壓，前端后端都一起燒壞；元器件不會標(biāo)稱差模的耐壓，差模耐壓能力由電路的設(shè)計決定，差模電壓超過電路承受范圍，前端燒壞，后端不會燒壞。
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，將輸入和輸出信號隔離分開，只要浪涌產(chǎn)生的電壓幅值不超過器件標(biāo)稱的值，光耦或磁耦就不會損壞，即使浪涌電壓長時間存在也不會對隔離的設(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，它們都有一個鉗位電壓，一旦超過該鉗位電壓，器件就會在連接點之間產(chǎn)生一個低阻抗，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)計比較常見就不多做贅述了。這里重點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，提供第一級的雷擊浪涌防護(hù)。當(dāng)雷擊、浪涌產(chǎn)生時，GDT瞬間達(dá)到低阻狀態(tài)，為瞬時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問題。有沒有更好的辦法呢？致遠(yuǎn)電子已經(jīng)為小伙伴們設(shè)計了專業(yè)的信號浪涌抑制器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 的浪涌等級要求，可用于各種信號傳輸系統(tǒng)，抑制雷擊、浪涌、過壓等有害信號，對設(shè)備信號端口進(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 的信號端口與 RSM485PHT 模塊的差分信號端口 A、 B 連接，則可使 485 通信端口滿足 IEC61000-4-5 ±4KV 的浪涌等級要求。
圖3 485模塊防浪涌應(yīng)用電路
四、方案總結(jié)對比
總結(jié)一下，各個方法的特點基本上是這樣的：
表1 方案特點比較
針對電子、電氣設(shè)備浪涌保護(hù)設(shè)備，其實早就有據(jù)可依。IEC 61000-4-5就規(guī)定了設(shè)備對由開關(guān)和雷電瞬變過電壓引起的單極性浪涌的抗擾度要求、實驗方法和推薦的實驗等級范圍。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個一致的實驗方法，以評價設(shè)備和系統(tǒng)對規(guī)定對象的抗擾度。目的就是建立一個共同的基準(zhǔn)，以評價電氣和電子設(shè)備在遭受浪涌時的性能。
接下來做一下浪涌抗擾度測試，檢驗一下浪涌抑制器是否滿足 IEC61000-4-5±4KV 防護(hù)要求，測試配置依據(jù) IEC61000-4-5 中非屏蔽對稱通信線進(jìn)行測試，具體測試電路如圖 1 所示。 測試過程中向浪涌抑制器施加不同等級浪涌電壓，在其信號輸入輸出端測量電壓波形。
圖4 共模浪涌抗干擾度實驗
以共模浪涌測試為例，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 測試?yán)擞侩妷喝鐖D 2（b）所示，浪涌電壓已被被降低至 17.1V
圖5 輸入浪涌電壓波形 3.94KV
圖6 浪涌抑制器輸出端波形 17.1V