如何根據(jù)額定電壓為RS-232、RS-485和CAN選擇TVS二極管[20241220]

【導(dǎo)讀】在許多工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用中，保護(hù)接口收發(fā)器免受各種電過(guò)應(yīng)力事件的影響是一個(gè)主要問(wèn)題。瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管常用于上述用途，因?yàn)樗鼈兛梢酝ㄟ^(guò)生成低阻抗電流路徑來(lái)鉗制電壓尖峰。
TVS 二極管的電氣特性由幾個(gè)工藝因素決定。這些參數(shù)與 TVS 電壓、電流和額定功率相關(guān)，具有多種多樣的數(shù)值，以適應(yīng)各種應(yīng)用。但通過(guò)查看元件數(shù)據(jù)表，就會(huì)發(fā)現(xiàn)選型并不簡(jiǎn)單。在本文中，我將討論電壓參數(shù)并展示哪種 TVS 二極管適用于 RS-232、RS-485 和控制器局域網(wǎng) (CAN) 應(yīng)用。當(dāng)然，峰值脈沖功率耗散和峰值脈沖電流也是關(guān)鍵參數(shù)，它們決定了系統(tǒng)中的放電能力和靜電放電 (ESD) 水平。但在這里，我將重點(diǎn)介紹電壓。
TVS 電壓參數(shù) VWM、VBR 和 VC
當(dāng)出現(xiàn)不需要的高壓瞬變時(shí)，TVS 二極管應(yīng)起到鉗位的作用；當(dāng)收發(fā)器在正常條件下工作時(shí)，它們也應(yīng)該是“透明的”。因此，首先要查看數(shù)據(jù)表上的額定關(guān)斷電壓 VWM 這個(gè)參數(shù)。VWM 也稱為額定工作電壓，低于該電壓則 TVS 為開(kāi)路，并具有低待機(jī)漏電流。
在選型時(shí)，您希望 VWM 大于推薦的收發(fā)器工作區(qū)域。隨著輸入電壓升高，TVS 開(kāi)始擊穿并在 VBR 處傳導(dǎo)更多電流。但更重要的是最高電壓參數(shù) VC，即大電流脈沖條件下的鉗位電壓。VC 表示特定脈沖電流下的最大鉗位電壓。將 VC 與收發(fā)器參數(shù)進(jìn)行比較時(shí)，您要確保它不超過(guò)集成電路 (IC) 的絕對(duì)最大額定電壓。“絕對(duì)最大值”是收發(fā)器在任何時(shí)候所允許的最大電壓限值。任何高于該限值的電壓都會(huì)使收發(fā)器處于不安全的運(yùn)行區(qū)域，并可能導(dǎo)致徹底損壞。
示例：RS-232、RS-485 和 CAN 收發(fā)器的 TVS 選型
我將介紹幾個(gè) RS-232、RS-485 和 CAN 收發(fā)器的示例器件及其 TVS 二極管的選型。我從各自的數(shù)據(jù)表中獲取了相關(guān)參數(shù)，我想通過(guò)介紹這些參數(shù)值，讓您了解不同的元件如何協(xié)同工作。
TI 的 MAX3232 是一款常見(jiàn)的 RS-232 收發(fā)器，具有兩個(gè)發(fā)送器和兩個(gè)接收器。我在圖 1 和圖 2 中突出顯示了兩個(gè)重要參數(shù)，分別是 ±5.4V 的工作電壓和 ±13.2V 的絕對(duì)最大驅(qū)動(dòng)器輸出電壓。在 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)中，信號(hào)擺幅應(yīng)在 ±5V 以上。在這里，您可以給它留出一些裕度。

圖 1：MAX3232 驅(qū)動(dòng)器工作電壓

圖 2：MAX3232 驅(qū)動(dòng)器絕對(duì)最大額定值
適用于 MAX3232 的 TVS 二極管是 Bourns 的 SMBJ8.0CA。在圖 3 中可以看到，峰值反向工作電壓為 8V，最大鉗位電壓為 13.6V。

圖 3：SMBJ8.0CA 峰值反向工作電壓和最大鉗位電壓
接下來(lái)，我們來(lái)看看 8 引腳 RS-485 收發(fā)器，即 TI 的 THVD1500。根據(jù) RS-485 標(biāo)準(zhǔn)，RS-485 收發(fā)器可以在寬共模范圍（-7V 至 12V）下工作（圖 3）。如圖 4 所示，THVD1500 總線引腳的絕對(duì)最大電壓為 ±18V。

圖 4：THVD1500 驅(qū)動(dòng)器工作電壓

圖 5：THVD1500 驅(qū)動(dòng)器絕對(duì)最大額定值
SM712 是用于 RS-485 應(yīng)用的常見(jiàn) TVS 二極管。此 TVS 具有不對(duì)稱的反向關(guān)斷電壓，可匹配 RS-485 應(yīng)用的共模工作范圍。此外，其鉗位電壓接近TI THVD1500 的限值，如圖 6 所示。

圖 6：SM712 反向關(guān)斷電壓和鉗位電壓
最后但同樣重要的是，TI SN65HVD1040A 8 引腳 CAN 收發(fā)器具有相當(dāng)高的絕對(duì)最大電壓（圖 7），這可簡(jiǎn)化 TVS 的選型。與 RS-485 類(lèi)似，CAN 總線也可以容忍一些共模電壓變化（圖 8）。

圖 7：SN65HVD1040A 驅(qū)動(dòng)器絕對(duì)最大額定值

圖 8：SN65HVD1040A 驅(qū)動(dòng)器工作電壓
綜合所有因素，Bourns 的 CDSOT23-T24CAN 是適合 SN65HVD1040A 的一款器件。該器件提供 24V 的反向工作電壓和 36V 至 40V 的鉗位電壓。為了節(jié)省空間，我沒(méi)有在這里復(fù)制數(shù)據(jù)表。但我相信，根據(jù)前兩個(gè)示例，找到相關(guān)參數(shù)不會(huì)太難。
同樣，電壓參數(shù)只是 TVS 器件電氣特性的一部分，但它們是選擇 TVS 時(shí)的首要考慮因素。要更好地了解 TVS 器件的全部特性，您還可以查看其他參數(shù)，例如峰值功率和峰值電流。
歡迎關(guān)注《必學(xué)大課堂》：這里可得到emc學(xué)習(xí)干貨、技巧、項(xiàng)目案例以及各類(lèi)資訊等！掌握心得，減少EMC研發(fā)成本帶來(lái)的困境。通常與EMC相關(guān)的產(chǎn)品研發(fā)成本主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：1）因EMC測(cè)試不通過(guò)而導(dǎo)致修改設(shè)計(jì)帶來(lái)的開(kāi)發(fā)輪數(shù)增加，最終增加的開(kāi)發(fā)成本，不但包括時(shí)間，還包括人力，物力；2）對(duì)于EMC技術(shù)把握不準(zhǔn)導(dǎo)致設(shè)計(jì)或增加無(wú)用的元器件成本；3）反復(fù)測(cè)試而導(dǎo)致的測(cè)試費(fèi)用。
溫馨提示：對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行EMC整改時(shí)，首先應(yīng)考慮到單個(gè)產(chǎn)品整改與批量生產(chǎn)時(shí)的差異性。一般來(lái)說(shuō)，EMC整改時(shí)會(huì)對(duì)產(chǎn)品各個(gè)部分進(jìn)行仔細(xì)調(diào)整，所使用的對(duì)策及元器件都是反復(fù)挑選的。而在批量生產(chǎn)時(shí)，由于生產(chǎn)為流水線作業(yè)，很難對(duì)產(chǎn)品各個(gè)部分仔細(xì)調(diào)整，再加上所采用元器件的批量離散性，批量生產(chǎn)產(chǎn)品的EMC性能也會(huì)參差不齊。只有在產(chǎn)品整改時(shí)為這種差異留下足夠的裕量，才能保證批量生產(chǎn)產(chǎn)品的EMC標(biāo)準(zhǔn)符合性。若批量生產(chǎn)的工藝一致性控制良好，所使用元器件的一致性很好，同時(shí)考慮到實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)備不確定度，傳導(dǎo)騷擾的整改至少要有4dB的裕量;輻射騷擾的整改至少要有6dB的裕量。若工廠的生產(chǎn)工藝一致性控制不是特別到位（如主要是手工或半手工操作，而非計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化操作），所采用的元器件離散性較大，建議裕量至少再提高3dB。必要時(shí)，可通過(guò)對(duì)EMC整改后批量生產(chǎn)的產(chǎn)品抽取至少三臺(tái)樣品進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目檢測(cè)，以確定是否均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求及結(jié)果的離散性如何，是否符合標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)批量產(chǎn)品測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)符合性的判定準(zhǔn)則。若都合格，則可判斷該整改措施是合適且有效的。    對(duì)常見(jiàn)電磁兼容不合格，綜合采用以下整改措施，一般可解決大部分問(wèn)題：屏蔽問(wèn)題： 加強(qiáng)屏蔽、減少縫隙：可以在屏蔽體的裝配面處涂導(dǎo)電膠，或者在裝配面處加導(dǎo)電襯墊，甚至采用導(dǎo)電金屬膠帶進(jìn)行補(bǔ)救。 導(dǎo)電襯墊可以是編織的金屬絲線、硬度較低易于塑型的軟金屬(銅、鉛等)、包裝金屬層的橡膠、導(dǎo)電橡膠或者是梳狀簧片接觸指狀物等。布局布線問(wèn)題： 在不影響性能的前提下，適當(dāng)調(diào)整設(shè)備內(nèi)部各部件之間的布局，電纜走向和排列，以減小不同類(lèi)型的部件、電纜相互影響。 接地問(wèn)題：加強(qiáng)接地的性能，降低接地電阻；對(duì)于設(shè)備整體要有單獨(dú)的低阻抗接地。接口問(wèn)題： 加強(qiáng)接口的濾波和金屬機(jī)箱與屏蔽層的連接；在設(shè)備電源、信號(hào)的輸入、輸出線上改進(jìn)或加裝濾波器。電纜問(wèn)題： 正確選擇傳輸電纜；電纜的屏蔽層正確接地；改變普通的小信號(hào)或高頻信號(hào)電纜為帶屏蔽的電纜；改變普通的低頻、大電流信號(hào)或數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)電纜為對(duì)稱絞線電纜。關(guān)鍵部位的處理：對(duì)重要部件、板卡、器件進(jìn)行屏蔽、隔離處理，如加裝接地良好的金屬隔離倉(cāng)或小的屏蔽罩等。電路和電源問(wèn)題：改進(jìn)或增加電源、電路的濾波，以旁路去其高頻干擾。

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