各位工程師在工業(yè)通訊現場，最擔心的是通訊網絡因浪涌產生的瞬態(tài)過壓和過流，導致總線通訊網絡出現發(fā)送錯誤信號甚至系統(tǒng)癱瘓的現象，為避免這一類事故的發(fā)生，在前期設計中應如何進行防護呢？這里將為你揭曉。
一、浪涌簡介
在工業(yè)通訊現場，雷電過電壓、落雷引發(fā)出的誘導雷浪涌，還有電源系統(tǒng)（特別是帶很重的感性負載）開關切換引起的浪涌，這些浪涌產生的瞬態(tài)過壓和過流，從而導致數據總線通訊網絡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。現在防雷、防浪涌和防過電壓這些都是總線設計必須考慮的因素，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生的浪涌一般是共模的，差模形式的浪涌往往是由于數據電纜附近有高壓線經過，數據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，而會在數據通信網絡中較長時間內穩(wěn)定存在。光耦或磁耦器件標稱的耐壓是共模，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范圍，前端燒壞，后端不會燒壞。
二、常規(guī)浪涌防護方案——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，即使浪涌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)生的誘導雷浪涌、電路系統(tǒng)內浪涌等，直擊雷不屬于討論范圍）。
規(guī)避法就是主設備的地連在一起形成單點接地，一旦有浪涌出現就可安全轉移浪涌能量，此外有必要增加一些抑制浪涌的器件。能將浪涌所產生的有害電流在到達數據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生一個低阻抗，從而轉移有害的電流。
如果將隔離法和規(guī)避法相結合，就可以更好地保護系統(tǒng)。規(guī)避器件一方面可抑制浪涌保護隔離器件，也可以抑制總線上產生的差模形式浪涌。隔離器件抑制共模形式浪涌，保護主設備。兩者相輔相成，能夠更好地保護總線設備。
舉個例子，CAN的接口防護一般是在收發(fā)器外加隔離保護器件，如光耦、磁耦等。為接口設計方便，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)境適應性更強。這類加隔離模塊防共模浪涌設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的方法。常用規(guī)避保護的器件有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。當雷擊、浪涌產生時，GDT瞬間達到低阻狀態(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。后端的TVS提供第二級浪涌防護，具體規(guī)格可根據需求選擇。
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，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？致遠電子已經為小伙伴們設計了專業(yè)的信號浪涌抑制器SP00S12，這種小體積模塊采用灌封材料，結合致遠隔離模塊，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，對設備信號端口進行保護，非常適合于CAN、 RS-485 等通信領域的浪涌防護。具體如下圖。
圖2 CAN總線模塊防浪涌應用電路
同樣道理，為 SP00S12 應用于 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、電氣設備浪涌保護設備，其實早就有據可依。IEC 61000-4-5就規(guī)定了設備對由開關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。標準規(guī)定了一個一致的實驗方法，以評價設備和系統(tǒng)對規(guī)定對象的抗擾度。目的就是建立一個共同的基準，以評價電氣和電子設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 防護要求，測試配置依據 IEC61000-4-5 中非屏蔽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 測試浪涌電壓如圖 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