现场总线技术是什么如何让人物保护工业RS-485网络免受故障影响
现场总线技术是什么？人物如何保护工业RS-485网络免受故障影响？
在工业场景中，RS-485网络的安全性至关重要。它是通过总线电缆与DC电源共享导管进行连接的，这种设计可能会导致数据与电源之间的短路问题。此外，错误的接线和极端弯曲也可能导致绝缘损坏，从而引起数据与电源导体间的短路。在这些情况下，保持运行需要过压保护收发器，其总线端子必须具有高于最大可能DC电源电压的高DC与AC隔离电压。
为了保护总线数据免受更高过电压瞬变（如雷击）的影响，我们需要具有特定开关特性的瞬态電壓抑制器（TVS）。本文讨论了过压保护收发器和TVS组合如何能够防止RS-485数据线受到静電、瞬態脉衝干擾以及電涌瞬變影響。
具备过压保护（OVP）的RS-485收发器，如图1所示，可以承受±60V AC/DC过载。这种设计产生120V显著差分电压，符合EIA-485标准，即使在突发情况下可以达到±80V。当发生超出正常范围的情况时，一条总线保持在+60V，而另一条位于−60V，以便形成120V差分 voltage。
然而，对于驱动器来说，在传输过程中突然发生过载是最不恰当的时候。这时，将启用其中一个驱动器，并通过远程接收者检测以确保其功能有效。为了防止对驱动器造成严重损害，我们还需要一种巧妙限流方案，使得驱动级能够在任何情况下都可以传输数据并限制其当前使用中的功耗。
图2显示了带有双折返限流功能的受故障保护收发器工作方式。在40v共模范围内工作，它提供比RS-485规范规定更宽的一致共模范围，并且第一折返点约为63mA来保证整个40v共模范围内负载可持续运行，而第二折返点约为13mA来降低故障期间功耗。此限流方案确保即使在极端共模或过载条件下输出也不会超过RS-485规范。
此外，还有热断开功能，当芯片温度升高时禁用驱动器，以将功耗降至零并允许芯片冷却。一旦温度降低15°C后，自动重新启动。如果故障仍然存在，则循环执行热断开和重新启动直到清除该问题。接收机保持活动状态，无论是否启用或关闭IC，都处于活动状态。
内部ESD保护由可控硅整流器实现，这些设备具有快速回跳而非齐纳特性。当外部输入超过触发阈值时，它们开始导通。但由于晶体管击穿很高，所以触发阈值设置为±70v，以防误触放大。在蓝色表示着SCR回跳特性的图3中，此设定允许使用多种TVS设备，因为它们的钳位阈值低于触发阈值，但仍远低于操作极限，因此不会在正常操作期间误触放大。
许多电视子设备用于三种主要类型的超额话题：静能、效能和涌潮。但要应对36v直流势力，他们必须具有相近工作势力及超过40v反向击穿势力。注意进入电视子工作势力的泄漏目前要小于1ma。随后发生反向击穿，该装置轻微导通，将流量增加到10mA。
对于这个电视子的I-V性能如图4所示，该性能由四个控制二极管及一个典型反向击穿45v中心弹簧二极管组成，其占板面积仅为2mm x 1mm。
这款电视子的两种接法方式。一种方法是在两个方向上分别施加正负测试脉冲，让转换二极管和中心弹簧二件同时接受一部分流量；另一种方法则只让单个二极管接受负脉冲流量，如黑色表示非对称钳位曲线之处。
利用两个电视子并行安装每根信号线上的一个，每根信号完成钳位曲率得到完全对称效果，如引脚1至3表示。
虽然没有直接连接地面引脚2、4和5，但是I/O端之一(1或3)连接到信号路径，一端则连续地面。这意味着对于正脉冲和负脉冲进行瞬态处理均保持一致性。
最后，与内部SCR激活阈值相比，电视子的触發點設為較低，因而避免了內部與外部保護方案之間互動問題。
最终设计
单个電視子的非對稱鉤狀極大地限制了過載設計範圍，並且這種設計應僅於共模變化較小應用的情況下進行使用；否則，您應該為每條線路各自安裝一個電視子，這樣會增加額外2mm²佔版面積並確保達成RS－485規範。我們還從這個設備獲得了一個優點，那就是它的小結束容量只有4pF（最大）這樣就可以保護長距離網絡中的每個單獨節點，並且沒有損失高速通信能力（40Mbps）。
当然，有一些設計技巧可以讓您主動將過載時刻減少到最小程度。記住，由於ESD與EFT波形前半段位於較低奈秒範圍內，這些突變時間導致30Hz至300MHz頻譜範圍。而因此，在我們看來，建立一個穩健過載保護系統已經成為RF設計的一部分，這涉及所有去耦作用與實現數據返回通過最小電感傳輸線路需求的地方層板配置選項必須被考慮入帳以實現最佳結果從您的GND平面無孔或切口真銅平面配置開始；這確保了良好的返回傳輸線路體積尺寸。此事項請特別留意，因為對於RF信號來說，最適當的是遵循那條帶有最小電感量度連續導體物料行進，而不是阻抗最佳化所需走廊布局設定物料厚度資訊來取決於走廊跨距間隔信息再次強調因素表明我們繼續尋求盡我所能提高準確度產生結果後期產品測試階段之前進行全面的產品測試以驗證理論模型預測顯著改善效率提升速度可靠性增强等指标方面如下表格總结结果说明无需进一步确认验证从测试报告分析结果来看该产品满足要求但请记住尽管我们尽力确保我们的理论模型准确无误但实际应用环境中存在各种不可预见因素因此我们建议客户实测产品尤其是在关键应用场景中这样的考虑对于保证长期稳定运行非常重要
作者简介：
Tom Kugelstadt 是瑞萨电子美国的一个资深应用工程师，他负责定义新的、高性能模拟产品以适用于工业系统。他毕业于德国法兰克福应用科技大学，并拥有35年以上专业经验专注于模拟电子元件设计领域他曾参与多项先进技术研讨会，并撰写多篇关于复杂电子系统集成解决方案相关论文
