技术文章—总线浪涌防护方案详解

摘要：为保证工业总线通讯的稳定性，工程师通常都在设计时考虑防雷、防浪涌和防过电压等电路方案，下面为大家介绍一些有效的总线防浪涌保护解决方案。

一、浪涌对电路的影响

浪涌包括浪涌电流、浪涌电压，它是指电路中瞬间出现超过正常工作电压、电流的现象。在工业通讯现场，雷电过电压、落雷引发出的诱导雷浪涌，还有电源系统（特别是带很重的感性负载）开关切换引起的浪涌，这些浪涌产生的瞬态过压和过流，会导致数据总线通讯网络瘫痪甚至使元器件发出错误的信号，会给用户带来很大的损失。

表1  几种瞬态骚扰的比较

先了解几种典型的瞬态骚扰：从表中可知，浪涌的能量最高，过电流最大，因此危害性也是最大。

浪涌的形成有两个类型：一个是共模，一个差模。雷电或大电流切换时产生的浪涌一般是共模的；差模形式的浪涌往往是由于数据电缆附近有高压线经过，数据线缆和高压线之间因绝缘不良而产生的，会在数据通信网络中较长时间内稳定存在。光耦或磁耦器件标称的耐压是共模，也就是前端到后端之间的耐压。如果超过这个耐压，前端后端都一起烧坏；元器件不会标称差模的耐压，差模耐压能力由电路的设计决定，差模电压超过电路承受范围，前端烧坏，后端不会烧坏。

目前总线浪涌防护方案有两种：采用分立元器件搭建或采用集成模块。

二、常规浪涌防护方案-分立方案

许多应用要求满足IEC61000-4-2静电放电4级，IEC61000-4-5浪涌抗扰4级要求。一般的收发器ESD、浪涌的防护等级均比较低，如CTM1051M隔离CAN收么器的隔离耐压为2500VDC，裸机情况下，ESD、浪涌等级均较低，所以有必要增加外围电路。

防浪涌电路通常分为：隔离法和规避法

隔离法：采用光耦合器或磁耦合器，将输入和输出信号隔离分开，这类隔离法只能抑制共模形式的浪涌，不能抑制差模形式的浪涌。

规避法：主设备的地连在一起形成单点接地，一旦有浪涌出现就可安全转移浪涌能量，此外有必要增加一些抑制浪涌的器件，主要有Tvs管、压敏电阻、气体放电管。

如果将隔离法和规避法相结合，就可以更好地保护系统。规避器件一方面可抑制浪涌保护隔离器件，也可以抑制总线上产生的差模形式浪涌。隔离器件抑制共模形式浪涌，保护主设备。两者相辅相成，能够更好地保护总线设备。以CAN总线为例，下图是分立元器件形成的外围保护电路。

图1  CAN总线推荐保护电路

其中GDT置于最前端，提供一级防护，当雷击、浪涌产生时，GDT瞬间达到低阻状态，为瞬时大电流提供泄放通道，将CAN_H、CAN_L间电压钳制在二十几伏范围内。实际取值可根据防护等级及器件成本综合考虑进行调整，R3 与 R4 建议选用 PTC，D1~D6 建议选用快恢复二极管。参数表如下。

表2  参数推荐表

三、高效浪涌防护方案-模块方案

分立元器件方案虽然能够提供有效的防护，但是需要引入较多的电子器件，这也就意味着接口电路将占用更多的PCB空间，若器件参数选择不合适易造成EMC问题。有没有更简洁的防护设计呢？答案是肯定的。可选择引入专业的信号浪涌抑制器SP00S12，可用于各种信号传输系统，抑制雷击、浪涌、过压等有害信号，对设备信号端口进行保护。搭配ZLG的全隔离CTM或SC系列的隔离CAN收发器，如下图。可极大程度的提升产品的集成度，于此同时极大程度的缩小开发周期。

图2  模块方案

四、方案对比和浪涌抗扰度测试

前面讲到总线浪涌防护方案有两种，接下来总结一下：

分立元器件方案：电子器件多、搭建麻烦、复杂、占用PCB空间、易造成EMC问题；

模块方案：使用方便、节省PCB空间、简化电路；

接下来做一下浪涌抗扰度测试，检验一下浪涌抑制器是否满足 IEC61000-4-5±4KV 防护要求，以共模浪涌测试为例，在SP00S12输入端加载4KV、1.2/50μs 浪涌电压，在输出端测试压降已被降低至17.1V，波形图如下。

图3  输入端电压波形4KV

图4  输出端波形电压17.1V

由此可见，在收发器与CAN总线间添加 SP00S12，可使 CAN 信号端口轻松满足 IEC61000-4-5 ±4KV 的浪涌等级要求。

采用一体化的高浪涌防护隔离CAN收发器可以完全代替隔离CAN收发器与浪涌抑制器的组合，如下图。此方案将最大限度简化电路设计、节省PCB空间、降低产品成本。它能够防护4KV浪涌、15KV静电的同时还具备极佳的EMC特性。

图5  一体化隔离方案