通信芯片防护：如何选择合适的TVS TSS器件？

时间： 2024-08-29 来源：上海贝岭公众号

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一、引言

在现代工业自动化、能效监测、智能仪表等应用领域中，通信接口如RS-485、RS-232、CAN等芯片被广泛应用于实现设备间的高效数据交换。然而，这些接口产品经常工作在电磁兼容性（EMC）挑战极为严峻的环境中。生产和应用环境中的瞬态冲击，不仅可能导致通信信号失真和数据传输错误，还可能损坏通信接口芯片，导致整个系统的失效。TVS和TSS作为典型的电路保护器件，能够为通信芯片提供必要的保护。本文将探讨如何选择适合的TVS和TSS器件，为系统设计提供可靠的解决方案。

二、TVS和TSS的对比

在电子设备的生产过程和终端客户应用中，保护接口芯片免受各种电过应力事件的影响是一个不可忽视的问题。TVS/TSS保护管常用于上述用途，因为它们可以通过生成低阻抗电流路径来钳制电压尖峰。

TVS对冲击的抑制

TSS对冲击的抑制

图1 TVS TSS对冲击波形的抑制作用对比

TVS管跟TSS管二者的封装类型是类似的，但是二者的吸收效果却有一定的差异。TVS管，全称瞬态电压抑制二极管；TSS是电压开关型瞬态抑制二极管，或者叫做半导体放电管。从名称上可以直观地看出二者的抗干扰能力区别, 吸收效果可以通过图1来简单地理解，TVS的残压非常稳定，对瞬态冲击可以起到更好的抑制作用，TSS存在尖峰脉冲。

TVS TSS的关键参数

TVS

TVS Vc=10.5V

TSS

TSS Vs=12V

以智能电表应用为例，上述为智能电表中RS-485芯片常用的TVS和TSS保护器件，在进行选型的时候，需要特别关注的指标如下：

Vrwm/Vdrm

TVS的Vrwm和TSS的Vdrm要高于芯片的工作电压，才能确保没有冲击时，不会影响芯片的正常通讯。

VC/VS

TVS的VC（钳位电压）相对较低，以SMB6.8CA为例，在10.8V；

TSS的VS（转折电压）从最初的25V降至12-15V，但是多次重复测试，尖峰残压值不稳定。

结电容

低压TVS的结电容在nF量级，TSS为几十pF，更适用于高速应用的场景，特别是国网电表提速后，以前使用的防护器件无法满足新的应用要求，表厂通常选择VC更高的TVS以减小结电容，或者更换为TSS。

响应时间

TVS/TSS的规格书通常对此不做标注，可以根据快速瞬变信号的残压信号作对比测试，或者采用VF-TLP设备测试峰值电压的波形，同等规格的TVS的响应时间通常优于TSS。

额定功率Pppm

TVS/TSS产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率。

三、应用实例

TVS/TSS方案是最基本的防护方案，为了适应不同的应用场景以及不同的接口芯片，上海贝岭给出几个应用实例。

单端总线的应用实例

上海贝岭以RS-232接口为例，给出单端总线的TVS防护方案。

图2 RS-232 外围应用图

图2为RS-232电路的外围应用图，根据RS-232芯片的工作电压和极限电压，可以选用的双向TVS为SMB8.0CA，总线上串联的100欧姆电阻也起到了一定的限流作用。

差分混合网络的应用实例

随着系统的复杂度和通信速率不断提升，混合网络的需求日益增加，以电力行业的集中器和采集终端为例，CAN和RS-485共用外围防护器件以及通信线缆，外围应用如图3所示：

图3 混合网络的外围应用图

在混合网络中，CAN收发器总线的极限电压通常在40V以上，明显高于RS-485收发器，所以工作电压和极限电压按照RS-485的参数进行选择。同时在该系统中，RS-485通信速率为115200bps，CAN的通讯速率为1Mbps，需要考虑保护器件结电容的影响。

对于通讯速率低于9600bps的智能电表而言，可以选择TVS，对瞬态冲击具有较好的抑制作用，例如SMBJ6.8CA。对于115200~1Mbps智能仪表设备，由于结电容的限制，可选用TSS器件。需要关注的是，响应时间和VS需满足系统以及接口芯片的要求，其中VS不能超过RS-485芯片AB端的极限电压值。由于集中器需要进行380V防错接测试，所以总线上需要接入RTA/RTB热敏电阻，配合TSS确保通信芯片的安全。热敏电阻的型号可以参考MZ11-10A200-300RM，如果总线上只在A端接入一颗热敏电阻，则建议采用MZ11-10A300-600RM。

四、结论

在实际应用中，选择合适的TVS/TSS防护元件至关重要。对于需要极快响应速度和较低钳位电压的应用，TVS二极管是首选，而对于高速数据传输的应用，TSS保护器件提供了更多的选择。

无论是选择TVS还是TSS，都需要根据具体的应用场景和技术需求进行权衡。合理选择和使用防护元件，可以显著提高接口芯片的可靠性和耐用性，确保电子设备的稳定运行。

表1为上海贝岭RS485、RS232产品选型表，可以根据不同的应用场景进行多样化的选择。

表1 RS485、RS232产品选型表

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SMAJ系列TVS二极管

描述- 该资料介绍了SMAJ系列瞬态电压抑制二极管（TVS Diode），这是一种专为保护敏感电子设备免受雷击和其他瞬态电压事件影响而设计的器件。它具有低剖面设计、内置应力缓解设计和良好的钳位能力等特点，适用于电信、计算机、工业和消费电子产品中的I/O接口、VCC总线以及其他易损电路的保护。

型号- SMAJ200A,SMAJ6.0CA,SMAJ40CA,SMAJ200CA,SMAJ14CA,SMAJ6.0A,SMAJ10CA,SMAJ33CA,SMAJ28A,SMAJ16A,SMAJ7.5A,SMAJ18CA,SMAJ20A,SMAJ350A,SMAJ70CA,SMAJ120A,SMAJ60A,SMAJ110CA,SMAJ,SMAJ51CA,SMAJ160A,SMAJ9.0A,SMAJ190CA,SMAJ48CA,SMAJ250CA,SMAJ17A,SMAJ500A,SMAJ7.5CA,SMAJ45A,SMAJ33A,SMAJ250A,SMAJ60CA,SMAJ440A,SMAJ350CA,SMAJ210A,SMAJ64CA,SMAJ400A,SMAJ480A,SMAJ8.0A,SMAJ15CA,SMAJ220CA,SMAJ11CA,SMAJ160CA,SMAJ500CA,SMAJ26A,SMAJ14A,SMAJ78A,SMAJ54A,SMAJ130A,SMAJ30A,SMAJ90CA,SMAJ550CA,SMAJ8.0CA,SMAJ70A,SMAJ300CA,SMAJ75CA,SMAJ510A,SMAJ170A,SMAJ550A,SMAJ440CA,SMAJ26CA,SMAJ45CA,SMAJ22CA,SMAJ130CA,SMAJ15A,SMAJ43A,SMAJ75A,SMAJ51A,SMAJ220A,SMAJ100CA,SMAJXXCA,SMAJ16CA,SMAJ5.0CA,SMAJ12CA,SMAJ180CA,SMAJ600A,SMAJ54CA,SMAJ48A,SMAJ36A,SMAJ24A,SMAJ58CA,SMAJ12A,SMAJ64A,SMAJ40A,SMAJ100A,SMAJ30CA,SMAJ8.5CA,SMAJ180A,SMAJ210CA,SMAJ SERIES,SMAJ150CA,SMAJ5.0A,SMAJ13A,SMAJ6.5A,SMAJ85A,SMAJ600CA,SMAJ85CA,SMAJ20CA,SMAJ6.5CA,SMAJ17CA,SMAJ36CA,SMAJ13CA,SMAJ18A,SMAJ120CA,SMAJ58A,SMAJ78CA,SMAJ22A,SMAJ10A,SMAJ110A,SMAJ300A,SMAJ90A,SMAJ510CA,SMAJ9.0CA,SMAJ190A,SMAJ150A,SMAJ28CA,SMAJ7.0A,SMAJ24CA,SMAJ7.0CA,SMAJ400CA,SMAJ43CA,SMAJ170CA,SMAJ480CA,SMAJ8.5A,SMAJ11A

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