浪涌抗扰度 (IEC61000-4-5) ESD 测试模拟了人体的静电放电对电子设备的影响。ESD 发生器产生的测试脉冲为短历时（100ns 以下）脉冲，并有一个约 1ns 的快速上升时间。尽管这种测试脉冲为低能量，但可以形成许多毁灭性的高电流，其足以毁坏一个收发器的内部保护电路。一个最小 ESD 测试序列由 20 次放电、10 个正极脉冲、10 个负极脉冲，以及每个脉冲之间的一秒暂停间隔组成。
猝发测试模拟了电感开关、继电器触点回跳等引起的日常开关瞬态。相比单测试脉冲的 ESD 测试，猝发发生器会产生一个完整序列的测试脉冲（称作一个猝发）。每个猝发包括约 15000 个瞬态。一个完整测试序列的六个 10s 猝发（相互之间的暂停间隔为 10s）可在一分钟内产生数百万次脉冲。一次单脉冲持续时间很短（请参见图 1b），因此能量较低，但这种对收发器完全无休止的瞬态轰击，会给其内部保护单元带来巨大的挑战。
浪涌测试是所有测试中最严格的测试，因为它模拟了雷电引起的开关瞬态。浪涌发生器产生的瞬态比 ESD 或猝发瞬态长约 1000 倍。另外，发生器的低源阻抗允许高压下的高浪涌电流，从而代表高能量脉冲。由于其高能量成份，测试序列一般由五次正浪涌脉冲和五次负浪涌脉冲（一分钟或更短时间脉冲之间存在时间间隔）组成。
图 1 ESD（左）、猝发（中间）和浪涌脉冲（右）举例
注释：电流和电压被标准化。若要了解绝对值，请参考实际标准。
保护总线节点
选择低成本的 CAT5 工业 RS-485 线缆或者平带 (flat-band) 线缆可以消除引入总线线路的主要瞬态能量。Belden 3107A（请参见图 2）等线缆具有编织屏蔽作用，可以极大地降低耦合至信号导线中的噪声。更低的信号线噪声，意味着对下列保护电路的瞬态影响更小。
图 2 具有屏蔽和加蔽线的工业 RS-485 线缆
图 2 所示工业 RS-485 线缆是单双工及半双工数据链路的理想选择。它允许将一个信号对用作总线信号线，而另一个信号对用作接地线，从而降低瞬态电流返回通路的电感。其他一些好处还包括线缆的 120 欧姆额定特性阻抗。这样便可保证阻抗匹配 RS-485 收发器开关特性和加蔽线的添加，从而允许线缆屏蔽的简单接地。请注意，应该仅在一个线缆末端接地，更好的选择是在最接近单接地参考总线接地基准的末端。
图 3 显示了一个具有瞬态电压抑制器二极管 (TVS) 保护的典型 RS-485 节点电路的简化示意图。最近的工艺技术进步，才实现了快速、低电容 TVS 二极管的制造。前几代 TVS 设计表现出来的数纳秒响应时间，对于 ESD 和猝发瞬态的快速上升时间来说都太慢。另外，其电容负载超出了每 TVS 器件 1000 nF，其在数据速率未降至极低水平的情况下，并不具备有效的多节点网络保护。
许多现代高精密抑制器设计都具有低至皮秒范围的响应时间，同时拥有约 10 pF 到100 pF 的电容（具体取决于器件拓扑结构和额定功率），从而实现单总线节点保护。
在差动数据信号中，例如：RS-485等，一般要求三个瞬态抑制器来模拟有效的现实世界瞬态保护：两个 TVS 器件用于实现共模瞬态（出现在 A 线路及接地和 B 线路及接地之间）保护，第三个 TVS 用于抑制 A 线路和 B 线路之间的差动瞬态。
作为 RS-485 连接器的螺旋式接线柱，将传输线缆连接至收发器 (XCVR)。三个瞬态电压抑制器二极管 (TVS) 用于消除 A 线路及接地和 B 线路及接地之间的共模瞬态，以及 A 和 B 之间的差动瞬态。
图 3 带瞬态保护的 RS-485 总线节点
图 4 显示了双向瞬态电压抑制器的对称电压-电流 (V-I) 特性。在一些低至切断电压 VWM 的低电压下，瞬态抑制器带来了信号线的高阻抗，并且仅有数微安培的器件漏电流。这种状态下，数据链路必定能够正常运行。因此，选择 TVS 用于 RS-485 链路时，其切断电压必须高于最大总线电压，其中包括 RS-485 标准规定接地电位差 (GPD) 的 ± 7V，其必然要求 VWM ≥ 12V。
在总线电位超出 TVS 击穿电压 VBR 的瞬态事件中，器件变为传导高电流到接地的低阻抗。但是，它的动态阻抗会引起器件的压降，其随上升电流成比例增加。这种电压常常表示为可以高达 35V 的钳位电压 Vc，其明显超出了收发器总线电位的最大额定值。
图 4 TVS 二极管的 V-I 特性
尽管高 ESD 额定值的收发器可以应对这种短期过应力，但一些较弱的组件会受益于浪涌额定电阻，其以串联方式切换至收发器总线终端（请参见图 3）。10Ω 到 20Ω 典型取值的电阻器可降低钳位动作期间流向收发器的电流，从而最小化对其 ESD 单元的影响。
除这些危险的电压和电流电平以外，现实世界瞬态还带来大量的宽带噪声。例如，ESD 脉冲的噪声有大约 3 MHz 到 3 GHz 的频谱。因此，除瞬态抑制外，我们还建议利用噪声滤波和高频布局方法来确保一个面对电磁干扰 (EMI) 时稳健的电路板设计。
这些建议将帮助您完成这种设计。在您的电路设计之初就要考虑的瞬态保护方案包括：
- 使用一个四层印刷电路板，其堆叠顺序为：总线信号层、接地层、电源层和控制信号层。
- 将接地层紧挨总线信号层放置，以建立阻抗跟踪控制，并为返回电流提供低电感通路。
- 将 TVS 二极管尽可能地靠近总线连接器放置，以防止瞬态渗入电路板电路。
- 将旁路电容器 (10nF – 100nF) 尽可能地靠近电路板上的所有 IC 放置。
- 利用多个过孔（每个终端至少 2 个）将瞬态抑制器和旁路电容与接地层连接。
- 通过简单的 R-C 低通滤波器将 EMI 滤波器应用于收发器的单端侧。
请注意，因为高频电流沿最小电感通路传导，所以大多数上述建议都以转移通过低电感通路的高频噪声为目标。
结论
一些精密的瞬态抑制器二极管具备对 RS-485 网络中所有总线节点都进行高效保护的能力。尽管有效的瞬态保护会增加初始设计的成本，但其可以防止未来实地运行故障、网络停运以及可能出现的产品召回所带来的高昂费用。
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发表于 2012-9-7 14:52:19
