【導(dǎo)讀】在現(xiàn)代工業(yè)自動化、能效監(jiān)測、智能儀表等應(yīng)用領(lǐng)域中，通信接口如RS-485、RS-232、CAN等芯片被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的高效數(shù)據(jù)交換。然而，這些接口產(chǎn)品經(jīng)常工作在電磁兼容性（EMC）挑戰(zhàn)極為嚴(yán)峻的環(huán)境中。生產(chǎn)和應(yīng)用環(huán)境中的瞬態(tài)沖擊，不僅可能導(dǎo)致通信信號失真和數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，還可能損壞通信接口芯片，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效。TVS和TSS作為典型的電路保護(hù)器件，能夠?yàn)橥ㄐ判酒峁┍匾谋Ｗo(hù)。本文將探討如何選擇適合的TVS和TSS器件，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可靠的解決方案。
一、引言
在現(xiàn)代工業(yè)自動化、能效監(jiān)測、智能儀表等應(yīng)用領(lǐng)域中，通信接口如RS-485、RS-232、CAN等芯片被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的高效數(shù)據(jù)交換。然而，這些接口產(chǎn)品經(jīng)常工作在電磁兼容性（EMC）挑戰(zhàn)極為嚴(yán)峻的環(huán)境中。生產(chǎn)和應(yīng)用環(huán)境中的瞬態(tài)沖擊，不僅可能導(dǎo)致通信信號失真和數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，還可能損壞通信接口芯片，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效。TVS和TSS作為典型的電路保護(hù)器件，能夠?yàn)橥ㄐ判酒峁┍匾谋Ｗo(hù)。本文將探討如何選擇適合的TVS和TSS器件，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可靠的解決方案。
二、TVS和TSS的對比
在電子設(shè)備的生產(chǎn)過程和終端客戶應(yīng)用中，保護(hù)接口芯片免受各種電過應(yīng)力事件的影響是一個(gè)不可忽視的問題。TVS/TSS保護(hù)管常用于上述用途，因?yàn)樗鼈兛梢酝ㄟ^生成低阻抗電流路徑來鉗制電壓尖峰。
圖1 TVS TSS對沖擊波形的抑制作用對比
TVS管跟TSS管二者的封裝類型是類似的，但是二者的吸收效果卻有一定的差異。TVS管,全稱瞬態(tài)電壓抑制二極管;TSS是電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管,或者叫做半導(dǎo)體放電管。從名稱上可以直觀地看出二者的抗干擾能力區(qū)別, 吸收效果可以通過圖1來簡單地理解，TVS的殘壓非常穩(wěn)定，對瞬態(tài)沖擊可以起到更好的抑制作用，TSS存在尖峰脈沖。
TVS TSS的關(guān)鍵參數(shù)
TVS
TSS
以智能電表應(yīng)用為例，上述為智能電表中RS-485芯片常用的TVS和TSS保護(hù)器件，在進(jìn)行選型的時(shí)候，需要特別關(guān)注的指標(biāo)如下：
Vrwm/Vdrm
TVS的Vrwm和TSS的Vdrm要高于芯片的工作電壓，才能確保沒有沖擊時(shí)，不會影響芯片的正常通訊。
VC/VS
TVS的VC（鉗位電壓）相對較低，以SMB6.8CA為例，在10.8V；
TSS的VS（轉(zhuǎn)折電壓）從最初的25V降至12-15V，但是多次重復(fù)測試，尖峰殘壓值不穩(wěn)定。
結(jié)電容
低壓TVS的結(jié)電容在nF量級，TSS為幾十pF，更適用于高速應(yīng)用的場景，特別是國網(wǎng)電表提速后，以前使用的防護(hù)器件無法滿足新的應(yīng)用要求，表廠通常選擇VC更高的TVS以減小結(jié)電容，或者更換為TSS。
響應(yīng)時(shí)間
TVS/TSS的規(guī)格書通常對此不做標(biāo)注，可以根據(jù)快速瞬變信號的殘壓信號作對比測試，或者采用VF-TLP設(shè)備測試峰值電壓的波形，同等規(guī)格的TVS的響應(yīng)時(shí)間通常優(yōu)于TSS。
額定功率Pppm
TVS/TSS產(chǎn)品的額定瞬態(tài)功率應(yīng)大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。
三、應(yīng)用實(shí)例
TVS/TSS方案是最基本的防護(hù)方案，為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場景以及不同的接口芯片，我們給出幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例。
單端總線的應(yīng)用實(shí)例
我們以RS-232接口為例，給出單端總線的TVS防護(hù)方案。
圖2 RS-232 外圍應(yīng)用圖
圖2為RS-232電路的外圍應(yīng)用圖，根據(jù)RS-232芯片的工作電壓和極限電壓，可以選用的雙向TVS為SMB8.0CA，總線上串聯(lián)的100歐姆電阻也起到了一定的限流作用。
差分混合網(wǎng)絡(luò)的的應(yīng)用實(shí)例
隨著系統(tǒng)的復(fù)雜度和通信速率不斷提升，混合網(wǎng)絡(luò)的需求日益增加，以電力行業(yè)的集中器和采集終端為例，CAN和RS-485共用外圍防護(hù)器件以及通信線纜，外圍應(yīng)用如圖3所示：
圖3 混合網(wǎng)絡(luò)的外圍應(yīng)用圖
在混合網(wǎng)絡(luò)中，CAN收發(fā)器總線的極限電壓通常在40V以上，明顯高于RS-485收發(fā)器，所以工作電壓和極限電壓按照RS-485的參數(shù)進(jìn)行選擇。同時(shí)在該系統(tǒng)中，RS-485通信速率為115200bps，CAN的通訊速率為1Mbps，需要考慮保護(hù)器件結(jié)電容的影響。
對于通訊速率低于9600bps的智能電表而言，可以選擇TVS，對瞬態(tài)沖擊具有較好的抑制作用，例如SMBJ6.8CA。對于115200~1Mbps智能儀表設(shè)備，由于結(jié)電容的限制，可選用TSS器件。需要關(guān)注的是，響應(yīng)時(shí)間和VS需滿足系統(tǒng)以及接口芯片的要求，其中VS不能超過RS-485芯片AB端的極限電壓值。由于集中器需要進(jìn)行380V防錯(cuò)接測試，所以總線上需要接入RTA/RTB熱敏電阻，配合TSS確保通信芯片的安全。熱敏電阻的型號可以參考MZ11-10A200-300RM，如果總線上只在A端接入一顆熱敏電阻，則建議采用MZ11-10A300-600RM。
四、結(jié)論
在實(shí)際應(yīng)用中，選擇合適的TVS/TSS防護(hù)元件至關(guān)重要。對于需要極快響應(yīng)速度和較低鉗位電壓的應(yīng)用，TVS二極管是首選，而對于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，TSS保護(hù)器件提供了更多的選擇。
無論是選擇TVS還是TSS，都需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和技術(shù)需求進(jìn)行權(quán)衡。合理選擇和使用防護(hù)元件，可以顯著提高接口芯片的可靠性和耐用性，確保電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。
表1為上海貝嶺RS485、RS232產(chǎn)品選型表，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景進(jìn)行多樣化的選擇。
表1 RS485、RS232產(chǎn)品選型表
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