RS-485保护电路结电容对信号质量的影响
2019-07-05
摘要：RS-485总线在工业现场被广泛应用，现场可能存在高等级的静电或浪涌，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，应用不当将会影响总线通讯。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
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。
图 2 RSM485ECHT单节点RS-485接口差分波形
图 3 总线接6个保护电路连接示意图
图 4 RSM485ECHT接6个保护电路波形测试点1波形
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。
图 6 某RS-485收发器接6个保护电路波形测试点1波形
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。
图 8 保护电路2（低结电容）
图 9 RSM485ECHT接6个保护电路2波形测试点1波形
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。