本文重点介绍 RS-485 收发器对大过压 (OVP) 的保护以及过压保护和瞬态保护之间的区别。
在过去的 40 年里，RS-485 凭借其坚固性和可靠性成为工业领域的主力军。RS-485 具有 1.5V 的大差分信号摆幅，并且在 -7V 至 +12V 的宽共模电压范围内可靠运行，因此得到了广泛的应用。RS-485 初用作实验室仪器中的通信网络，现已扩展到工业和楼宇自动化中的控制网络、工厂车间的 PLC 网络、过程控制、商用供暖、通风和空调系统、地震网络、交通监控系统以及石油钻井平台、煤矿和石化工业中的报警指示系统。
随着 RS-485 的增长和广泛使用，对更高稳健性的需求也日益增加，例如：
更高的输出电压摆幅，确保更高的噪声裕度
更宽的共模范围，允许远程总线节点之间有更大的地电位差
提高对现场人员引起的静电放电的耐受性
隔离能力或对持续过压的保护远远超出数据表中规定的收发器电源水平
本文重点关注的是后一点：RS-485 收发器对大过压的保护。首先，我们将讨论过压保护和瞬态保护之间的区别。然后，我们将研究过压保护( OVP) 收发器成功所需的条件，以及集成收发器与使用标准收发器的分立解决方案相比有多重要。，我们将比较 20Mbps 高速 OVP 收发器与低 OVP 版本的一些性能特征。
过压保护与瞬态保护
工业和电信系统中的 24V 和 48V 直流电源通常通过与 RS-485 网络的数据线相同的管道进行分布。图 1 显示了导致过压发生的多种原因。
数据线与直流电源线共用同一导管时导致过压故障的多种原因
图 1：数据线与直流电源线共用同一导管时导致过压故障的多种原因
如果直流电源与相邻总线节点电路的数据线共用相同的连接器或螺丝端子块，则可能会发生连接一个或多个电源导体与收发器总线端子的错误接线故障。
另一个故障原因是导管的布局。急弯通常违反了数据和供电电缆规定的电缆半径。随着时间的推移，电缆上增加的机械压力会导致绝缘层破裂，从而导致电源线和数据线之间短路。当机器或设备靠在导管上时，也会发生这种情况，从而挤压电缆。过压事件的持续时间可能持续数分钟，甚至长达数周，直到消除其原因。
由于配电系统中的负载切换活动和雷击，可能会发生更短的过压事件，例如过压瞬变，从而会在数据线中产生高浪涌电流和电压。
刚接触过压保护的工程师通常认为，在无故障保护的标准收发器上添加外部瞬态电压抑制器(TVS) 可确保防止短期和长期过压。事实并非如此，因为 TVS 可吸收的功率会随着瞬态持续时间的增加而降低，如图 2 所示。
600W TVS 的峰值脉冲功率与脉冲持续时间特性
图 2：600W TVS 的峰值脉冲功率与脉冲持续时间特性
图 2 中的图表显示了额定脉冲宽度为 1ms 的 600W TVS。请注意，时间轴范围从 10μs 到 10ms，功率水平分别为 6000W 和 200W。从这一特性可以看出，将 TVS 暴露于长期过电压下会烧坏设备。
因此，为了保护您的总线节点免受各种过压的影响，您需要故障保护收发器，例如 Intersil 的 ISL3245xE 系列。这些收发器可提供高达 ±60V 的直流过压保护和高达 ±80V 的瞬态过压保护。
集成故障保护与离散故障保护
有时会出现这样的问题：为什么不使用无故障保护的标准收发器和几个具有足够高击穿电压的分立低成本晶体管来实现过压保护？答案很简单：分立解决方案会增加更多成本和开发时间，并且比故障保护收发器占用更多空间。
假设图 3 中的故障保护半双工收发器的功能是通过使用标准收发器的分立设计来实现的。首先，发送路径和接收路径必须分开，以便实现具有高关断电压的升压输出级。这需要使用全双工收发器。输出级可以用四个分立晶体管或集成 H 桥来实现，其控制输入需要将 RS-485 总线信号转换为 TTL 或 CMOS 逻辑电平。这将需要在收发器和分立输出级之间设置驱动逻辑电路。
在接收路径中，必须实施由齐纳二极管和串联电阻组成的分立电压限制器，以在过压事件期间限制总线电压，否则它保持透明。
集成式与分立式过压保护设计
图 3：集成式与分立式过压保护设计
图3显示，分立解决方案已经变得笨重，仅提供过压保护的基本功能，同时还缺少过压保护至关重要的元件——电流限制器。
当驱动器主动驱动总线时，电流限制在过压事件期间是一项关键功能。由于启用的驱动器与地之间具有低阻抗连接，流过驱动器的总线电流会变得巨大，如果不加以限制，则会损坏设备。
故障保护收发器的电流限制
故障保护收发器的共模范围比 RS-485 标准规定的范围更宽，因此需要在驱动器级内采用双折返电流限制。图 4 显示了 ISL3245x 系列故障保护收发器的限流功能，这些收发器可在 ±20V 的宽共模范围内工作。
这里，个折返电流水平为 63mA，确保驱动器在整个 40V 共模电压范围内驱动负载时不会折返。如果在发生故障时启用驱动器，则非常低的第二个折返电流设置（13mA）可限度地降低功耗。这种限流方案确保输出电流永远不会超过 RS-485 规格，即使在共模和故障条件电压范围极限下也是如此。
如果发生严重短路情况，收发器还提供热关断功能，当芯片温度过高时，该功能会禁用驱动器。这样可以消除任何功耗并让芯片冷却。当芯片温度下降 15°C 后，驱动器会自动重新启用。如果故障情况持续存在，则热关断/重新启用循环将重复，直到故障清除。接收器在热关断期间保持运行，无论驱动器是启用、禁用还是 IC 断电，故障保护都会处于活动状态。
驱动器输出电流限制与过压
图 4：驱动器输出电流限制与过压
在故障保护中添加防雷保护
雷电引起的过压瞬变能量很容易超过收发器的故障保护范围，必须由外部 TVS 二极管吸收。在故障保护收发器中添加外部 TVS 器件时，需要满足两个条件：
TVS 击穿电压必须比应用的共模电压或直流电源高 1V（以较高者为准）。对于仅暴露于 -7V 至 +12V 标准共模范围的应用，VBR-min ≥ 13V；对于与标称电源为 24V 的直流电源线相邻的总线线路，VBR-min 应≥ 31V，因为众所周知，24V 系统的偏移高达 30V。
TVS 的峰值钳位电压必须低于收发器的故障保护水平。
图 5 显示了相应的电路以及具有击穿和钳位电压VBR 和 VCL 的TVS 开关特性，并将它们与共模、直流电压和故障保护水平进行了比较。
TVS VI 特性与 VCM-max 和 VDC-max 的比较
图 5：TVS VI 特性与 VCM-max 和 VDC-max 的比较
性能比较
具有宽电源电压范围的故障保护收发器使设计人员能够在 5V 和 3.3V 低压系统中使用同一设备，从而减少了物流成本，并可以为大批量生产带来有吸引力的价格优惠。
然而，并非所有 3V 至 5V 收发器都能在低电源电压下提供足够的驱动能力。例如，图 6 和图 7 比较了 ISL32458E 20Mbps 高速收发器与竞争的 10Mbps 设备（标记为竞争者 T）的输出驱动能力，后者也声称可在低至 3V 的电压下工作。
在 3.3V 电源电压下，ISL32458E 提供 1.5V 输出，而竞争对手 T 的输出为 0.9V
图 6：在 3.3V 电源电压下，ISL32458E 提供 1.5V 输出，而竞争对手 T 的输出为 0.9V
竞争产品 T 的输出在其指定共模范围内测量时进一步下降
图 7：在指定共模范围内测量时，竞争产品 T 的输出进一步下降
驱动纯差分负载的典型特性（图 6）已经揭示了竞争产品 T 较差的输出驱动能力。在 VCC = 3.3V 时，竞争产品 T 很难提供 RS-485 规定的 1.5V VOD 的 50%，即使没有共模负载的负担。与之形成鲜明对比的是，ISL32458E 在 54Ω 差分负载上提供稳定的 1.5V。
当在更窄的共模范围内测量时（图 7），竞争产品 T 的 VOD 在整个范围内远未达到 1.5V 的值（虚线）。ISL32458E 在标准共模范围的极限处仅略微偏离至 1.3V，并迅速恢复驱动强度，达到 ±20V 的极限。
所谓的 3V 至 5V 收发器的另一个缺点是它们不一定能在低至 3V 的电压下工作。例如，图 8 显示，Competitor T 设备在 3.15V 时停止工作，这仅比标称的 3.3V 电平低 5%。当然，这要求提供收发器电源电压的线性稳压器具有更严格的容差。
相比之下，整个 ISL3245xE 系列均在约 2V 的电源电压下开始运行，因此不仅可以确保真正的 3V 运行，而且还允许放宽电压调节器的公差规格。
ISL32458E 在低于 2V 时停止工作，比竞争对手 T 的 3.15V 低 1V
图 8：ISL32458E 在低于 2V 时停止工作，比竞争对手 T 的 3.15V 低 1V
结论
系统设计人员不再需要在 RS-485 和 RS-422 收发器中在强大的容错能力和高性能之间做出选择，因为 ISL32458E 和 ISL32459E 兼具这两种功能。这些收发器具有 ±60V 过压和 ±15kV ESD 容差，同时可在 3V 至 5.5V 电源电压下运行。它们还以高达 20Mbps 的数据速率运行，并提供 ±20V 共模电压范围。此外，ISL32459E 还提供电缆反转功能。
