一文讀懂常用總線防浪涌保護(hù)的那些事

　　在工業(yè)通訊現(xiàn)場，雷電過電壓、落雷引發(fā)出的誘導(dǎo)雷浪涌，還有電源系統(tǒng)(特別是帶很重的感性負(fù)載)開關(guān)切換引起的浪涌，這些浪涌產(chǎn)生的瞬態(tài)過壓和過流，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)總線通訊網(wǎng)絡(luò)癱瘓甚至使元器件發(fā)出錯(cuò)誤的信號，會(huì)給用戶帶來很大的損失?，F(xiàn)在防雷、防浪涌和防過電壓這些都是總線設(shè)計(jì)必須考慮的因素，今天小編就和大家聊一聊常用總線防浪涌保護(hù)的那些事兒。

　　浪涌是一種瞬變干擾，在某種特定條件下，在電網(wǎng)上造成瞬間電壓超出額定正常電壓的范圍，通常這個(gè)瞬變不會(huì)持續(xù)太長的時(shí)間，但有可能幅度相當(dāng)高。有可能是在僅僅的百萬分之一秒內(nèi)的瞬間突高，比如打雷、或者斷開電感負(fù)載、或者接通大型負(fù)載的一瞬間都會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊。在大多數(shù)情況下，如果連接在電網(wǎng)上的設(shè)備或電路沒有浪涌保護(hù)措施，很容易器件就會(huì)損壞，損壞的程度會(huì)跟器件的耐壓等級有關(guān)系。

　　供電系統(tǒng)的浪涌主要來自兩個(gè)方面：外部(雷電原因)和內(nèi)部(電氣設(shè)備啟停和故障等)。浪涌的特點(diǎn)往往是時(shí)間很短(雷電造成的過電壓往往在微秒級，電設(shè)備造成的過電壓往往在毫秒級)，但是瞬時(shí)的電壓和電流極大，極有可能對用電設(shè)備和電纜造成危害，所以需要浪涌保護(hù)器對它們進(jìn)行保護(hù)。

　　通常所說的防浪涌，有兩個(gè)類型：一個(gè)是共模，一個(gè)差模。雷電或大電流切換時(shí)產(chǎn)生的浪涌一般是共模的，差模形式的浪涌往往是由于數(shù)據(jù)電纜附近有高壓線經(jīng)過，數(shù)據(jù)線纜和高壓線之間因絕緣不良而產(chǎn)生的，雖然差模比共模產(chǎn)生的電壓和電流小得多，但它不像共模那樣只維持很短的時(shí)間，而會(huì)在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中較長時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在。光耦或磁耦器件標(biāo)稱的耐壓是共模，也就是前端到后端之間的耐壓。如果超過這個(gè)耐壓，前端后端都一起燒壞;元器件不會(huì)標(biāo)稱差模的耐壓，差模耐壓能力由電路的設(shè)計(jì)決定，差模電壓超過電路承受范圍，前端燒壞，后端不會(huì)燒壞。

　　防浪涌電路通常分為隔離法和規(guī)避法。隔離法就是采用光耦合器或磁耦合器，將輸入和輸出信號隔離分開，只要浪涌產(chǎn)生的電壓幅值不超過器件標(biāo)稱的值，光耦或磁耦就不會(huì)損壞，即使浪涌電壓長時(shí)間存在也不會(huì)對隔離的設(shè)備產(chǎn)生損害。這類隔離法只能抑制共模形式的浪涌，不能抑制差模形式的浪涌。(這里說的浪涌，主要是由于落雷而發(fā)生的誘導(dǎo)雷浪涌、電路系統(tǒng)內(nèi)浪涌等，直擊雷不屬于討論范圍)。

　　規(guī)避法就是主設(shè)備的地連在一起形成單點(diǎn)接地，一旦有浪涌出現(xiàn)就可安全轉(zhuǎn)移浪涌能量，此外有必要增加一些抑制浪涌的器件。能將浪涌所產(chǎn)生的有害電流在到達(dá)數(shù)據(jù)端口前泄放到地回路中去的器件，主要有Tvs管、壓敏電阻、氣體放電管，它們都有一個(gè)鉗位電壓，一旦超過該鉗位電壓，器件就會(huì)在連接點(diǎn)之間產(chǎn)生一個(gè)低阻抗，從而轉(zhuǎn)移有害的電流。

　　如果將隔離法和規(guī)避法相結(jié)合，就可以更好地保護(hù)系統(tǒng)。規(guī)避器件一方面可抑制浪涌保護(hù)隔離器件，也可以抑制總線上產(chǎn)生的差模形式浪涌。隔離器件抑制共模形式浪涌，保護(hù)主設(shè)備。兩者相輔相成，能夠更好地保護(hù)總線設(shè)備。

　　舉個(gè)例子，CAN的接口防護(hù)一般是在收發(fā)器外加隔離保護(hù)器件，如光耦、磁耦等。為接口設(shè)計(jì)方便，我們可以使用一體化的收發(fā)器模塊，和自主搭建電路比，使用方便，簡化電路，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。這類加隔離模塊防共模浪涌設(shè)計(jì)比較常見就不多做贅述了。這里重點(diǎn)談一下增加差模形式浪涌防護(hù)的方法。

常用規(guī)避保護(hù)的器件有GDT、TVS以及共模電感。GDT被放置于接口最前端，提供第一級的雷擊浪涌防護(hù)。當(dāng)雷擊、浪涌產(chǎn)生時(shí)，GDT瞬間達(dá)到低阻狀態(tài)，為瞬時(shí)大電流提供泄放通道，將CAN_H、CAN_L間電壓鉗制在二十幾伏范圍內(nèi)。后端的TVS提供第二級浪涌防護(hù)，具體規(guī)格可根據(jù)需求選擇。

　　接口電路雖然能夠提供有效的防護(hù)，但是需要引入較多的電子器件，這也就意味著接口電路將占用更多的PCB空間，若器件參數(shù)選擇不合適易造成EMC問題。有沒有更好的辦法呢?聚英電子大部分都是采用防浪涌的繼電器，減少瞬勢電壓電流，能夠更好地保護(hù)總線設(shè)備。

在將來，由于種種原因，浪涌防護(hù)產(chǎn)品將變得越來越普及。即：集成密度的提高必然伴隨著電路中元器件(集成電路，三極管，二極管，電阻等)臨界載荷值的降低;由于使用先進(jìn)的生產(chǎn)機(jī)械，有必要增加生產(chǎn)過程的安全性;電子設(shè)備的應(yīng)用中，要注意露天設(shè)備(如帶有智能傳感器的設(shè)備)的保護(hù);核爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖危害(NEMP)：這只是核爆炸產(chǎn)生的不可避免的次要結(jié)果，它能損壞所有電子設(shè)備。

　　常見的防護(hù)方法是電路的關(guān)鍵部位采用過電壓和浪涌的防護(hù)器件，使過電壓和浪涌通過防護(hù)器件旁路到大地，從而讓電路的瞬變電壓和浪涌幅度大大降低。浪涌防護(hù)方案確立之后的另一個(gè)重點(diǎn)就是浪涌防護(hù)器件的選擇。