稳健性和可靠性使 RS-485 在过去 40 年中成为工业主力。其 1.5V 的大差分信号摆幅以及在 -7V 至 +12V 的宽共模电压范围内的可靠运行，推动了 RS-485 的广泛部署。 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、商业供暖、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、煤矿和石化行业的报警指示系统。
随着 RS-485 的发展和广泛使用，对更高稳健性的需求也不断增加，例如：
更高的输出电压摆幅以确保更高的噪声容限
更宽的共模范围，允许远程总线节点之间更大的接地电位差
提高对现场人员引起的静电放电的耐受性
隔离能力或针对远远超出数据表中指定的收发器电源电平的持续过压的保护
本文重点关注的是后一点：RS-485 收发器针对大过电压的保护。首先，我们将讨论过压保护和瞬态保护之间的区别。然后，我们将了解过压保护(OVP) 收发器如何获得成功，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何意义。，我们将比较 20Mbps 高速 OVP 收发器与劣质 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 网络数据线相同的管道进行分配。图 1 显示了发生过电压的多种原因。
数据线与直流电源线共管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同一连接器或螺丝端子块，则可能会发生将一根或多根电源导线与收发器总线端子连接的错误接线故障。
另一个故障原因是导管的布局。急弯通常会违反数据电缆和电源电缆规定的电缆半径。随着时间的推移，电缆上机械压力的增加将导致绝缘层破裂，从而导致电源线和数据线之间发生短路。当机械或设备靠在导管上放置时，也会发生这种情况，从而压碎电缆。过压事件的持续时间可能会持续几分钟甚至几周，直到其原因得到消除。
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电压事件，例如瞬变过电压，这会在数据线路中感应出高浪涌电流和电压。
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中添加外部瞬态电压抑制器(TVS) 可确保针对短期和长期过压提供保护。但事实并非如此，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，功率级别分别为 6000W 和 200W。从这个特性可以清楚地看出，将 TVS 长期暴露在过电压下会导致器件烧毁。
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一些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：分立式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。
我们假设图 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，以允许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。输出级可以通过四个分立晶体管或一个集成 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。这需要在收发器和分立输出级之间有一个驱动逻辑电路。
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限压器，以在过压事件期间限制总线电压，否则它会保持透明。
图 3：集成过压保护设计与分立式过压保护设计
图 3 显示，分立式解决方案仅提供过压保护的基本功能，但仍然缺少过压保护的重要组件限流器，因此已经变得很麻烦。
当驱动器主动驱动总线时，电流限制是过压事件期间的一项关键功能。由于启用的驱动器呈现低阻抗接地连接，因此流过驱动器的总线电流会变得很大，如果不加以限制，就会损坏设备。
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 标准中指定的范围更宽，需要在驱动级内进行双折返电流限制。图 4 显示了 ISL3245x 系列故障保护收发器的限流功能，该收发器在 ±20V 的宽共模范围内工作。
此处，63mA 的折返电流水平可确保驱动器在整个 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 13mA 的极低第二折返电流设置可限度地降低功耗。这种电流限制方案可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端情况下也是如此。
如果发生严重短路情况，收发器还提供热关断功能，只要芯片温度过高，就会禁用驱动器。这消除了任何功耗并允许芯片冷却。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/重新启用循环会重复，直到故障被清除。接收器在热关断期间保持运行，并且无论驱动器是启用、禁用还是 IC 断电，故障保护都处于活动状态。
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的关系
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，必须由外部 TVS 二极管吸收。将外部 TVS 器件添加到故障保护收发器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（以较高者为准）高 1V。对于仅暴露于 -7V 至 +12V 标准共模范围的应用，VBR-min ≥ 13V，对于与 24V 标称电源的直流电源线相邻运行的总线，VBR-min 应≥ 31V，与 24V 系统一样以高达 30V 的电压偏移而闻名。
TVS 的峰值钳位电压必须低于收发器的故障保护电平。
图 5 显示了各自的电路以及 TVS 开关特性以及击穿电压和钳位电压VBR 和 VCL，并将它们与共模、直流电压和故障保护水平进行了比较。
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 低压系统中使用相同的器件，从而减少物流，并可为大批量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 将 ISL32458E 20Mbps 高速收发器的输出驱动能力与竞争对手的 10Mbps 器件（表示为竞争对手 T，该器件也声称可在低至 3V 的电压下运行）进行比较。
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
在指定共模范围内进行测量时，竞争对手 T 的输出进一步下降
图 7：在指定共模范围内进行测量时，竞争对手 T 的输出进一步下降
驱动纯差分负载的典型特性（图 6）已经暴露了竞争对手 T 较差的输出驱动能力。在 VCC = 3.3V 时，竞争对手 T 很难提供 RS-485 中规定的 1.5V VOD 的 50%，即使没有共模负载的负担。与此形成鲜明对比的是，ISL32458E 在 54Ω 差分负载上提供稳定的 1.5V 电压。
当在更窄的共模范围内进行测量时（图 7），竞争对手 T 的 VOD 远未达到整个范围的 1.5V 值（虚线）。 ISL32458E 在标准共模范围的极端情况下仅稍微偏离 1.3V，并快速恢复驱动强度至 ±20V 的外部极限。
所谓 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 显示竞争对手 T 器件在 3.15V 时停止工作，仅比标称 3.3V 电平低 5%。当然，这需要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 系列在 2V 左右的电源下开始运行，因此不仅确保了真正的 3V 运行，而且还允许放宽稳压器的容差规格。
ISL32458E 在低于 2V 时停止工作，这比竞争对手 T 的 3.15V 电源低 1V
图 8：ISL32458E 在低于 2V 时停止工作，比竞争对手 T 的 3.15V 电源低 1V
结论
系统设计人员不再需要在 RS-485 和 RS-422 收发器的强大容错能力和高性能之间进行选择，因为 ISL32458E 和 ISL32459E 都具备这两种功能。这些收发器具有 ±60V 过压和 ±15kV ESD 容限，同时可在 3V 至 5.5V 电源电压下运行。它们的数据速率高达 20Mbps，并提供 ±20V 共模电压范围。此外，ISL32459E 还提供电缆反转功能。
