基于RS485的傳收器雷擊保護功能方案設計

智能電網 (Smart Grid) 是目前全世界重要的節(jié)能減碳政策之一，其中具有可長距離通訊的RS485網絡，是智能電網中關鍵的傳輸接口。RS-485傳輸線一般架在室外或沿電纜鋪設，所以常發(fā)生因雷擊在傳輸線上引起瞬變干擾而損壞器件。此外，RS-485網絡一般是Party-Line (or Bus)結構，即一條總線(Bus)連接數十至數百個RS485傳收器(Transceiver)。因此，雷擊浪涌(Surge)產生電壓突波可能會導致傳輸線上數百個RS-485傳收器的損壞。故任何的電壓突波保護措施是RS-485實際使用中必須考慮的問題，也是提高系統(tǒng)可靠性及安全性重要的措施。晶焱科技本持著在ESD領域的專業(yè)設計經驗，推出具有IEC61000-4-5 (8/20μs) ±30A雷擊功能的RS485傳收器 (AZRS3082)，AZRS3082是目前市面上雷擊保護功能最強大的RS485傳收器。

AZRS3082具有最強大的ESD保護功能

在傳統(tǒng)的RS485傳收器中，為了符合DL/T 645的標準，傳輸線接口A,B兩端會有HBM 15kV的規(guī)格，但在實際應用上，這樣的防護是不夠的。所以目前一般的解決方法是在RS-485傳收器外部加上瞬變電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressor, TVS)來防止電壓突波，但一般的TVS很難做到大功率，所以在雷擊浪涌到來時，瞬間大能量會直接損壞一般的TVS，尤其是整合到芯片中的TVS更是脆弱，所以設計上還是需要外加雷擊浪涌保護組件。

目前外加的雷擊浪涌保護組件有氣體及陶瓷放電管、壓敏電阻及TVS三種。放電管的耐電流能力很強，但是其反應速度慢，箝制電位也非常高(約為800V左右)，這樣的特性使其保護效果大打折扣，常會遇到即使加了放電管，受保護組件仍會損害。壓敏電阻其寄生電容大，導通電阻也高，且低電壓的壓敏電阻漏電流大，也不適合用于RS-485接口保護。傳統(tǒng)利用半導體制作的TVS雖然反應速度極快，但其耐高電壓、高電流的能力不足，所以難以抵擋雷擊浪涌的沖擊。

晶焱科技陳志豪博士指出：『晶焱科技本持著開發(fā)高可靠性、高安全性的接口傳輸IC為目標，為了使系統(tǒng)客戶的設計更簡單、更有效率為宗旨?！魂惒┦扛M一步指出：『具有強大雷擊防護功能的TVS，一般是不容易整合到傳統(tǒng)CMOS IC中，但晶焱科技本持著ESD專業(yè)設計的背景，克服了許多技術的瓶頸，終于做到了！』。這內建特殊TVS的Transmission-Line-Pulse (TLP)雙向特性如圖一所示。與他家內建雷擊保護傳收器的雷擊浪涌的測試特性比較圖，如圖二所示。由圖中可以看出AZRS3082不僅可承受的更高的雷擊浪涌電流，且具有更低的雷擊箝制電壓(Surge Clamping Voltage)，當TVS雷擊箝制電壓越低，其對芯片的保護效果會越好。

此內建特殊TVS的RS485傳收器也提供系統(tǒng)級靜電放電保護，使得傳輸線接口A,B端受到更完整的保護，其RS485傳輸端A,B的ESD規(guī)格如下：

1. IEC 61000-4-2, 接觸模式Contact Discharge ±30 kV

2. IEC 61000-4-2, 空氣放電模式Air-Gap Discharge ±30 kV

3. IEC 61000-4-2, 電子快速脈沖模式EFT (5/50ns) 4.4 kV

4. IEC 61000-4-5, 雷擊浪涌Surge (8/20μs) ±30 A

除了傳輸端A,B具有完整ESD防護外，AZRS3082內建整體防護，Human Body Model (HBM) 靜電放電保護更是每一PIN腳均符合DL/T 645標準 (JEDEC人體模型HBM 15kV)，其全芯片ESD保護架構如圖三所示。除此之外，為了工業(yè)級的應用其Machine Model(MM) 測試高達800V，使其在Profibus(工業(yè)自動控制)的應用有最高的安全性。在芯片自我防護方面，AZRS3082的Charge Device Model (CDM) 防護能力高達2kV，這使得芯片因制程環(huán)境不良所累積過多電荷時可以強大自我保護作用。在穩(wěn)定性及可靠性上，AZRS3082具閂鎖防制能力（Latchup Immunity）高達400mA，所以可使用在高噪聲的環(huán)境下而無虞。

圖一 AZRS3082芯片內建防雷擊TVS之TLP 雙向曲線圖。