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Überspannungsschutz für RS485-Busknoten

23. Mai 2016, 12:11 Uhr | Von Thomas Kugelstadt, Principle Applications Engineer von Intersil

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Strombegrenzung fehlergeschützter Transceiver

Überspannungsschutz für RS485-Busknoten

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Fehlergeschützte Transceiver mit Gleichtaktbereichen, die breiter sind als im RS485-Standard definiert, benötigen eine doppelte Foldback-Strombegrenzung innerhalb der Treiberstufe. Der Abbildung 4 ist die Strombegrenzungsfunktion der ISL3245xE-Familie fehlergeschützter Transceiver zu entnehmen, die über den weiten Gleichtaktbereich von ±20 V arbeiten. Dabei gewährleistet der erste Foldback-Strompegel von 63 mA, dass der Treiber niemals zurückfällt, wenn er im gesamten Gleichtakt-Spannungsbereich von 40 V Lasten ansteuert. Die sehr niedrige Einstellung des zweiten Foldback-Stroms von 13 mA minimiert die Verlustleistung, wenn der Treiber eingeschaltet ist, während ein Fehler auftritt. Diese Strombegrenzungsstruktur stellt sicher, dass der Ausgangsstrom die RS485-Spezifikation nie überschreitet, selbst in extremen Gleichtakt- und Fehlerbedingungs-Spannungsbereichen. Tritt ein größerer Kurzschluss auf, bieten die Transceiver auch eine Wärmeabschaltfunktion, welche die Treiber abschaltet, sobald die Temperatur übermäßig ansteigt. Das vermeidet jegliche Verlustleistung und ermöglicht ein Abkühlen des Chips. Die Treiber werden automatisch wieder eingeschaltet, nachdem die Temperatur um 15°C abgefallen ist. Bleibt der Fehler bestehen, wiederholt sich der Wärmeabschalt-/Wiedereinschalt-Zyklus so lange, bis der Fehler geklärt ist. Empfänger bleiben während der Wärmeabschaltung in Betrieb, und der Fehlerschutz ist aktiv, unabhängig davon, ob dieser Treiber eingeschaltet, ausgeschaltet oder das IC abgeschaltet ist.

Ergänzung des Fehlerschutzes
um Blitzschutz

Die durch Blitzeinschlag erzeugte Energie von Überspannungs-Transienten kann den Fehlerschutz des Transceivers mit Leichtigkeit überschreiten und muss durch externe TVS-Dioden absorbiert werden. Zwei Bedingungen müssen erfüllt werden, wenn ein fehlergeschützter Transceiver um externe TVS-Bausteine ergänzt wird:

1) Die TVS-Durchbruchspannung muss 1 V höher sein als die höchste Gleichtaktspannung der Anwendung oder die max. DC-Versorgung, je nachdem, welche höher ist. Bei Anwendungen, die nur dem Standard-Gleichtaktbereich von -7 V bis +12 V, VBR-min ≥ 13 V ausgesetzt sind sowie bei Busleitungen die unmittelbar neben DC-Stromversorgungsleitungen mit einer Nennspannung von 24 V liegen, sollte die VBR-min bei ≥31 V liegen, weil 24-V-Systeme für Ausschläge auf bis 30 V bekannt sind.

2) Die Spitzen-Klemmspannung des TVS muss niedriger sein als die maximalen Fehlerschutzpegel des Transceivers.
Abbildung 5 zeigt sowohl die entsprechende Schaltung als auch die TVS-Schaltcharakteristika mit Durchbruchs- und Klemmspannungen VBR und VCL, und vergleicht sie mit den maximalen Gleichtakt-DC-Spannungs- und Fehlerschutzpegeln.

Leistungsvergleich

Fehlergeschützte Transceiver mit einem breiten Versorgungsspannungsbereich versetzen Entwickler in die Lage, denselben Baustein in 5-V- und 3,3-V-Niederspannungssystemen einzusetzen, was die Logistik verringert und zu einem attraktiven Preisabschlag bei höheren Stückzahlen führen kann. Allerdings stellen nicht alle 3-V- bis 5-V-Transceiver bei niedriger Versorgung eine ausreichende Ansteuerfähigkeit zur Verfügung.

Abbildung 6 und Abbildung 7 vergleichen zum Beispiel die Ausgangs-Ansteuerung des 20-MBit/s-High-Speed-Transceivers ISL32458E mit einem konkurrierenden 10-MBit/s-Baustein (als Mitbewerber T bezeichnet) dar, der ebenfalls einen Betrieb bis herunter auf 3 V geltend macht.

In den typischen Kennwerten bei der Ansteuerung rein differenzieller Lasten (Abbildung 6) wird bereits die unterlegene Ausgangstreiberfähigkeit von Mitbewerber T deutlich. Bei VCC = 3,3 V hat Mitbewerber T Mühe, die in RS485 spezifizierten 50 Prozent der minimalen 1,5 V VOD bereitzustellen, selbst ohne die Belastung durch Gleichtaktlasten. In starkem Gegensatz dazu liefert der ISL32458E solide 1,5 V über die differentielle Last von 54 Ω hinweg.

Über den wesentlich engeren Gleichtaktbereich gemessen (Abbildung 7), kommt die VOD von Mitbewerber T im gesamten Bereich auch nicht in die Nähe von mindestens 1,5 V (gestrichelte Linie). Der ISL32458E weicht in den Extremen des Gleichtaktbereichs nur leicht auf 1,3 V ab und gewinnt rasch die Ansteuerstärke in Richtung der äußeren Grenzen von ±20 V zurück.

Ein weiterer Nachteil der so genannten 3-bis-5-V-Transceiver ist, dass sie nicht unbedingt bis herunter auf 3 V arbeiten. Der Baustein von Mitbewerber T beispielsweise arbeitet bereits bei 3,15 V nicht mehr, was nur 5 Prozent unter dem Nennpegel von 3,3 V liegt. Das macht selbstverständlich eine engere Toleranz des Linearreglers erforderlich, der die Versorgungsspannung für den Transceiver liefert.

Im Vergleich dazu beginnt die gesamte ISL3245xE-Familie ihren Betrieb bereits bei einer Mindestversorgung von ungefähr 2 V; sie gewährleistet dadurch nicht nur einen echten 3-V-Betrieb, sondern erlaubt darüber hinaus eine entspannte Toleranzspezifizierung des Spannungsreglers.

Schlussbetrachtung

Systementwickler müssen nicht länger zwischen robuster Fehlertoleranz und hoher Leistung in RS485- und RS422-Transceivern wählen, weil der ISL32458E und der ISL32459 beides bieten. Diese Transceiver sind durch ±60 V Überspannung und eine ESD-Toleranz von ±15 kV gekennzeichnet, wobei sie einen Betrieb über Versorgungsspannungen zwischen 3 V bis 5,5 V enthalten. Sie arbeiten außerdem bis zu einer Datenrate von 20 MBit/s und bieten einen Gleichtaktspannungsbereich von ±20 V. Zusätzlich enthält der ISL32459 eine Kabel-Invertierfunktion.