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[经验] RS-485保护电路结电容对信号质量的影响

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    [LV.1]初来乍到

    发表于 2019-7-3 13:08:17 |显示全部楼层
    RS-485总线被广泛应用在工业环境,可能有高等静电或浪涌干扰,工程师通常会使用气体放电管和TVS管搭建防护电路,但该电路的结电容较高,应用不当将会影响通讯。本文将为大家介绍一种低结电容的外围电路。
    1
    常用RS-485保护电路
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    图1 保护电路1


    如图1所示的保护电路,气体放电管将接口处的大部分浪涌电流泄放,共模电感滤除共模信号的干扰,TVS进一步降低气体放电管后的残压,从而保护后级电路。RSM485ECHT模块应用图1所示保护电路可以达到接触静电±8kV,共模浪涌±4kV,差模浪涌±2kV,满足大部分工业现场对RS-485节点静电和浪涌等级的要求。


    图1所示保护电路虽然保护能力较强,但其结电容较大,A-RGND或B-RGND结电容为2.5nF左右,当总线上有较多节点均使用图1保护电路进行组网时,总线的电容量较大,信号反射以及信号边沿趋于平缓使信号质量变差,甚至会导致通信异常。


    2
    总线电容导致的信号反射问题
    当信号在通信线上传输,到达RS-485节点上的保护电路时,保护电路的结电容使信号受到的瞬时阻抗发生变化,一部分信号将被反射,另一部分发生失真并继续传播下去。


    图2所示为RSM485ECHT单节点发送波形,图3为RS-485总线接6个保护电路的示意图,每个节点之间的距离在30cm左右,使用双绞线手拉手连接,图4和图5分别为在总线上接6个图1所示电路的波形测试点1和波形测试点6(图3中标注的位置)的波形,波形的上升/下降时间变长,并且波形测试点1波形变成了台阶形状。
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    图2 RSM485ECHT单节点RS-485接口差分波形

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    图3 总线接6个保护电路连接示意图
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    图4 RSM485ECHT接6个保护电路波形测试点1波形
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    图5 RSM485ECHT接6个保护电路波形测试点6波形


    RSM485ECHT的RS-485接口驱动能力较强,如下为使用相同测试条件测试市场上常用的RS-485收发器芯片测试波形,可以看出其波形已被严重干扰,且反射波形已到达RS-485芯片门限电平附近,有可能引起通信异常。因此在实际应用中应选择驱动能力较强的收发器。
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    图6 某RS-485收发器接6个保护电路波形测试点1波形

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    图7 某RS-485收发器接6个保护电路波形测试点6波形


    3
    低结电容保护电路
    当通信节点数较多,可以使用如图8所示保护电路,其A-RGND或B-RGND的结电容仅为20pF,虽然TVS结电容较大,但普通二极管结电容非常小,TVS与普通二极管的结电容为串联关系,因此可以减小保护电路的结电容。使用图8进行图3所示的组网,测试点1的波形如图9所示,测试点6波形如图10所示,波形基本未发生变化。
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    图8 保护电路2(低结电容)

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    图9 RSM485ECHT接6个保护电路2波形测试点1波形
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    图10 RSM485ECHT接6个保护电路2波形测试点6波形


    4
    总结
    总线上挂载的保护电路会使信号受到的瞬时阻抗发生变化,导致信号反射,当总线上的节点数较多,总线的电容量较大,会对总线波形造成干扰,影响通信信号质量,因此为减小保护电路对总线通信的影响,在实际应用可以选择驱动能力较强的收发器,并且保护电路若使用图1所示保护电路,应选择低结电容TVS,也可选择使用如图8所示的低结电容保护电路。

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