如何避免浪湧對通訊匯流排的影響？

各位工程師在工業通訊現場， 最擔心的是通訊網路因浪湧產生的瞬態過壓和過流， 導致匯流排通訊網路出現發送錯誤信號甚至系統癱瘓的現象， 為避免這一類事故的發生， 在前期設計中應如何進行防護呢?這裡將為你揭曉。

一、浪湧簡介

在工業通訊現場， 雷電過電壓、落雷引發出的誘導雷浪湧， 還有電源系統(特別是帶很重的感性負載)開關切換引起的浪湧， 這些浪湧產生的瞬態過壓和過流， 從而導致資料匯流排通訊網路癱瘓甚至使元器件發出錯誤的信號， 會給使用者帶來很大的損失。

現在防雷、防浪湧和防過電壓這些都是匯流排設計必須考慮的因素， 今天小編就和大家聊一聊常用匯流排防浪湧保護的那些事兒。

通常所說的防浪湧， 有兩個類型：一個是共模， 一個差模。 雷電或大電流切換時產生的浪湧一般是共模的， 差模形式的浪湧往往是由於資料電纜附近有高壓線經過， 資料線纜和高壓線之間因絕緣不良而產生的， 雖然差模比共模產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， 而會在資料通信網路中較長時間內穩定存在。 光耦或磁耦器件標稱的耐壓是共模， 也就是前端到後端之間的耐壓。 如果超過這個耐壓， 前端後端都一起燒壞;元器件不會標稱差模的耐壓， 差模耐壓能力由電路的設計決定，

差模電壓超過電路承受範圍， 前端燒壞， 後端不會燒壞。

二、常規浪湧防護方案——分立方案

防浪湧電路通常分為隔離法和規避法。 隔離法就是採用光耦合器或磁耦合器， 將輸入和輸出信號隔離分開， 只要浪湧產生的電壓幅值不超過器件標稱的值， 光耦或磁耦就不會損壞， 即使浪湧電壓長時間存在也不會對隔離的設備產生損害。 這類隔離法只能抑制共模形式的浪湧， 不能抑制差模形式的浪湧。 (這裡說的浪湧， 主要是由於落雷而發生的誘導雷浪湧、電路系統內浪湧等， 直擊雷不屬於討論範圍)。

規避法就是主設備的地連在一起形成單點接地， 一旦有浪湧出現就可安全轉移浪湧能量，

此外有必要增加一些抑制浪湧的器件。 能將浪湧所產生的有害電流在到達資料埠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， 它們都有一個鉗位元電壓， 一旦超過該鉗位元電壓， 器件就會在連接點之間產生一個低阻抗， 從而轉移有害的電流。

如果將隔離法和規避法相結合， 就可以更好地保護系統。 規避器件一方面可抑制浪湧保護隔離器件， 也可以抑制匯流排上產生的差模形式浪湧。 隔離器件抑制共模形式浪湧， 保護主設備。 兩者相輔相成， 能夠更好地保護匯流排設備。

舉個例子， CAN的介面防護一般是在收發器外加隔離保護器件， 如光耦、磁耦等。 為介面設計方便， 我們可以使用一體化的收發器模組，

和自主搭建電路比， 使用方便， 簡化電路， 環境適應性更強。 這類加隔離模組防共模浪湧設計比較常見就不多做贅述了。 這裡重點談一下增加差模形式浪湧防護的方法。 常用規避保護的器件有GDT、TVS以及共模電感。 如圖1所示， GDT被放置於介面最前端， 提供第一級的雷擊浪湧防護。 當雷擊、浪湧產生時， GDT瞬間達到低阻狀態， 為暫態大電流提供泄放通道， 將CAN_H、CAN_L間電壓鉗制在二十幾伏範圍內。 後端的TVS提供第二級浪湧防護， 具體規格可根據需求選擇。

圖1增加防差模形式浪湧功能的CAN介面電路

三、高效浪湧防護方案——模組方案

上圖所示的介面電路雖然能夠提供有效的防護， 但是需要引入較多的電子器件， 這也就意味著介面電路將佔用更多的PCB空間，

若器件參數選擇不合適易造成EMC問題。 有沒有更好的辦法呢?致遠電子已經為小夥伴們設計了專業的信號浪湧抑制器SP00S12， 這種小體積模組採用灌封材料， 結合致遠隔離模組， 使電路輕鬆滿足IEC61000-4-5 ±4KV 的浪湧等級要求， 可用於各種信號傳輸系統， 抑制雷擊、浪湧、過壓等有害信號， 對設備信號埠進行保護， 非常適合於CAN、 RS-485 等通信領域的浪湧防護。 具體如下圖。

圖2 CAN匯流排模組防浪湧應用電路

同樣道理， 為 SP00S12 應用於 RSM485PHT 串口通信中， 將 SP00S12 的信號埠與 RSM485PHT 模組的差分信號埠 A、 B 連接， 則可使 485 通訊連接埠滿足 IEC61000-4-5 ±4KV 的浪湧等級要求。

圖3 485模組防浪湧應用電路

四、方案總結對比

總結一下， 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、電氣設備浪湧保護設備， 其實早就有據可依。IEC 61000-4-5就規定了設備對由開關和雷電瞬變過電壓引起的單極性浪湧的抗擾度要求、實驗方法和推薦的實驗等級範圍。標準規定了一個一致的實驗方法，以評價設備和系統對規定物件的抗擾度。目的就是建立一個共同的基準，以評價電氣和電子設備在遭受浪湧時的性能。

接下來做一下浪湧抗擾度測試，檢驗一下浪湧抑制器是否滿足 IEC61000-4-5±4KV 防護要求，測試配置依據 IEC61000-4-5 中非遮罩對稱通信線進行測試，具體測試電路如圖 1 所示。 測試過程中向浪湧抑制器施加不同等級浪湧電壓，在其信號輸入輸出端測量電壓波形。

圖4 共模浪湧抗干擾度實驗

以共模浪湧測試為例，在 SP00S12 浪湧抑制器的 A2、 B2 端施加如圖 2(a) 所示的 4KV、 1.2/50μs 浪湧電壓，在輸出端 A1、 B1 測試浪湧電壓如圖 2(b)所示，浪湧電壓已被被降低至 17.1V

圖5 輸入浪湧電壓波形 3.94KV

圖6 浪湧抑制器輸出端波形 17.1V

其實早就有據可依。IEC 61000-4-5就規定了設備對由開關和雷電瞬變過電壓引起的單極性浪湧的抗擾度要求、實驗方法和推薦的實驗等級範圍。標準規定了一個一致的實驗方法，以評價設備和系統對規定物件的抗擾度。目的就是建立一個共同的基準，以評價電氣和電子設備在遭受浪湧時的性能。

接下來做一下浪湧抗擾度測試，檢驗一下浪湧抑制器是否滿足 IEC61000-4-5±4KV 防護要求，測試配置依據 IEC61000-4-5 中非遮罩對稱通信線進行測試，具體測試電路如圖 1 所示。 測試過程中向浪湧抑制器施加不同等級浪湧電壓，在其信號輸入輸出端測量電壓波形。

圖4 共模浪湧抗干擾度實驗

以共模浪湧測試為例，在 SP00S12 浪湧抑制器的 A2、 B2 端施加如圖 2(a) 所示的 4KV、 1.2/50μs 浪湧電壓，在輸出端 A1、 B1 測試浪湧電壓如圖 2(b)所示，浪湧電壓已被被降低至 17.1V

圖5 輸入浪湧電壓波形 3.94KV

圖6 浪湧抑制器輸出端波形 17.1V