您的RS-485通信能否經受浪涌的考驗？

浪涌瞬變通常由開關操作造成的過壓情況或雷擊造成。開關瞬變的起因可能是電力系統切換、配電系統中的負載變化或各種系統故障(例如安裝時與接地系統形成短路和電弧故障)。雷電瞬變的起因可能是附近的雷擊將較高的電流和電壓注入電路中。

RS-485收發器是為承受惡劣環境而設計，這意味著除了嘈雜的工廠環境外， RS-485收發器還能夠穩定的在各種惡劣環境工作，因為雷擊、電壓跳變和系統故障等浪涌的來臨可能會干擾通信，甚至損壞芯片。

那么，如何能夠知道您的RS-485通信是否能夠在浪涌事件中幸存下來呢？

國際電工建立了IEC 61000-4-5浪涌標準，以幫助工程師確定系統的浪涌保護級別。IEC 61000-4-5 標準對于在惡劣環境中的通信應用至關重要，這些環境包括遠程無線單元、空調單元、樓宇自動化、工廠自動化與控制、電網基礎設施、智能電表、過程分析和視頻監控，等等。

了解此標準對于確保您的系統能夠承受惡劣環境給我們的挑戰至關重要。本文將介紹保護系統免受浪涌事件影響的不同方法，同時向您展示銘芯微電子如何為客戶優化設計以節省空間、減少元件并節省成本。

集成浪涌保護節省空間和成本

銘芯微提供的RS485系列接口芯片，都集成了浪涌防護低電容TVS，在TVS后同時集成了10歐姆串聯限流電阻,相當于自帶兩層額外的EMC防護。在這里我們介紹銘芯微產品如何在幫助增強系統保護、抑制雷電或耦合噪聲瞬變、提高可靠性的同時節省空間并省去RS-485設計中用于RS-485通信浪涌保護的外部元器件，為客戶大幅降低成本。

什么是IEC 61000-4-5浪涌抗擾標準？

IEC 61000-4-5浪涌標準是在RS-485收發器上執行的苛刻的測試之一; 該測試模擬雷擊或工業浪涌事件。事實上，RS-485測試中的0.5 kV時浪涌的能量持續時間要高出15kV靜電放電（ESD）成千上萬倍。

浪涌保護是對惡劣環境條件下工作的RS-485系統的必要要求。IEC浪涌測試模擬電流涌入收發器，浪涌的等級按IEC標準分類（如表1所述）。1級（500V）標準適合于對工業自動化控制的工廠環境中發生的浪涌瞬變的保護。 2 級(1kV）或更高的浪涌瞬變有可能發生在發電或電網系統等環境中。

表1：IEC 61000-4-5浪涌等級

防止浪涌的方法有兩種：（1） 使用復雜分立元件的解決方案，即用 RS-485 收發器和多個外部保護元件。 （2） 使用集成浪涌保護TVS的 RS-485 收發器。讓我們先來看看分立器件實現方法，然后我們再看看銘芯微的 RS-485收發器（比如MX485）如何能夠幫助客戶簡化這個解決方案。

用分立器件實現浪涌保護

瞬態電壓抑制(TVS)二極管、金屬氧化物壓敏電阻(MOV)和瞬態阻斷單元等保護器件通常在收發器外部使用，以限制電壓并吸收浪涌電流。圖1顯示了采用標準的RS-485半雙工收發器和提供浪涌保護所需的其它外部組件實現的浪涌保護的RS-485通信參考設計。

圖1：具有多達7個附加元件的分立式解決方案，用于對RS-485收發器進行浪涌保護

這種方法的個挑戰是它需要使用額外的分立元件進行設計，二個挑戰是符合RS485浪涌應用要求的元器件很難找到。 這意味著元件選擇可能變得非常具有挑戰性和昂貴。圖1中的設置可以通過讓MOV（圖中的6號和7號）將電流轉移到地來實現浪涌保護。瞬態阻斷單元(TBU)(圖中的4號和5號)限制進入收發器的電流。通過前兩級的任何電流都會受到TVS二極管(圖中3號)的分流和限流電阻(R)(圖中1號和2號）的進一步限制。如圖1所示，這四個級別的保護需要向電路板添加多達七個額外的元件。這可能會導致更多的挑戰，例如增加設計和組件選擇的復雜性，或需要更大的電路板空間以及增加物料清單中的組件。

通過集成浪涌降低設計復雜性

銘芯微的RS-485產品內部集成了匹配的低電容TVS和串聯限流電阻,所以不需外加浪涌保護組件，也不需要復雜、占地和昂貴的設計，這樣大大的簡化了客戶的系統。例如MX485是一款半雙工的RS-485收發器，自帶TVS浪涌保護器件，能夠為總線接口提供0.75kV（峰值350W）的浪涌保護，超過了1級(0.5kV)IEC保護指標。增強版的MX485收發器能夠進一步提供1.5kV（峰值700W）的浪涌保護，超過了IEC61000-4-5對浪涌2級(1kV)的指標要求。需要強調的是銘芯微的集成TVS有一個特的性能，就是如果將幾個收發器并接在一起，其防浪涌能力會線性疊加并大幅增強。這使銘芯微能夠實現RS-485總線防浪涌能力隨掛靠收發器的個數增加而增加。如圖2所示，2級保護(1kV)可以在掛靠2個以上收發器的總線上實現。3級(2kV) 或4級(4kV) 可以在掛靠3個或6個以上收發器的總線上實現。更別的浪涌保護都可以采用增加收發器的個數或者用添加虛擬收發器的方法來實現，而無需另加分立組件。

圖2：銘芯微RS-485 總線浪涌保護能力隨掛靠收發器的增加而增強

請看圖3中RS-485通信的系統級設計，這次使用的是銘芯微電子的集成解決方案，而不是圖1所示的分立器件方法。集成方案不僅減少了多個外部保護元件，也使得這些收發器的評估和產品升級換代的工作變得快速而輕松。

圖3：采用RS485總線浪涌保護的集成解決方案

銘芯微電子收發器的片上保護顯著提高了器件和終端設備的可靠性，因此，無論您的目標是簡化設計、減少電路板空間、節省成本、簡化物料清單還是要提高浪涌保護等級，銘芯微電子的RS-485收發器系列都可以為您設計符合惡劣環境下應用的通信系統提供幫助。