通信芯片防護：如何選擇合適的TVS TSS器件
一、引言
在現代工業自動化、能效監測、智能儀表等應用領域中，通信接口如RS-485、RS-232、CAN等芯片被廣泛應用于實現設備間的高效數據交換。然而，這些接口產品經常工作在電磁兼容性（EMC）挑戰極為嚴峻的環境中。生產和應用環境中的瞬態沖擊，不僅可能導致通信信號失真和數據傳輸錯誤，還可能損壞通信接口芯片，導致整個系統的失效。TVS和TSS作為典型的電路保護器件，能夠為通信芯片提供必要的保護。本文將探討如何選擇適合的TVS和TSS器件，為系統設計提供可靠的解決方案。
二、TVS和TSS的對比
在電子設備的生產過程和終端客戶應用中，保護接口芯片免受各種電過應力事件的影響是一個不可忽視的問題。TVS/TSS保護管常用于上述用途，因為它們可以通過生成低阻抗電流路徑來鉗制電壓尖峰。
TVS對沖擊的抑制
TSS對沖擊的抑制
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,全稱瞬態電壓抑制二極管;TSS是電壓開關型瞬態抑制二極管,或者叫做半導體放電管。從名稱上可以直觀地看出二者的抗干擾能力區別, 吸收效果可以通過圖1來簡單地理解，TVS的殘壓非常穩定，對瞬態沖擊可以起到更好的抑制作用，TSS存在尖峰脈沖。
TVS TSS的關鍵參數
TVS
TVS Vc=10.5V
TSS
TSS Vs=12V
以智能電表應用為例，上述為智能電表中RS-485芯片常用的TVS和TSS保護器件，在進行選型的時候，需要特別關注的指標如下：
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，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（轉折電壓）從最初的25V降至12-15V，但是多次重復測試，尖峰殘壓值不穩定。
結電容
低壓TVS的結電容在nF量級，TSS為幾十pF，更適用于高速應用的場景，特別是國網電表提速后，以前使用的防護器件無法滿足新的應用要求，表廠通常選擇VC更高的TVS以減小結電容，或者更換為TSS。
響應時間
TVS/TSS的規格書通常對此不做標注，可以根據快速瞬變信號的殘壓信號作對比測試，或者采用VF-TLP設備測試峰值電壓的波形，同等規格的TVS的響應時間通常優于TSS。
額定功率Pppm
TVS/TSS產品的額定瞬態功率應大于電路中可能出現的最大瞬態浪涌功率。
三、應用實例
TVS/TSS方案是最基本的防護方案，為了適應不同的應用場景以及不同的接口芯片，我們給出幾個應用實例。
單端總線的應用實例
我們以RS-232接口為例，給出單端總線的TVS防護方案。
圖2 RS-232 外圍應用圖
圖2為RS-232電路的外圍應用圖，根據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，總線上串聯的100歐姆電阻也起到了一定的限流作用。
差分混合網絡的的應用實例
隨著系統的復雜度和通信速率不斷提升，混合網絡的需求日益增加，以電力行業的集中器和采集終端為例，CAN和RS-485共用外圍防護器件以及通信線纜，外圍應用如圖3所示：
圖3 混合網絡的外圍應用圖
在混合網絡中，CAN收發器總線的極限電壓通常在40V以上，明顯高于RS-485收發器，所以工作電壓和極限電壓按照RS-485的參數進行選擇。同時在該系統中，RS-485通信速率為115200bps，CAN的通訊速率為1Mbps，需要考慮保護器件結電容的影響。
對于通訊速率低于9600bps的智能電表而言，可以選擇TVS，對瞬態沖擊具有較好的抑制作用，例如SMBJ6.8CA。對于115200~1Mbps智能儀表設備，由于結電容的限制，可選用TSS器件。需要關注的是，響應時間和VS需滿足系統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。由于集中器需要進行380V防錯接測試，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、結論
在實際應用中，選擇合適的TVS/TSS防護元件至關重要。對于需要極快響應速度和較低鉗位電壓的應用，TVS二極管是首選，而對于高速數據傳輸的應用，TSS保護器件提供了更多的選擇。
無論是選擇TVS還是TSS，都需要根據具體的應用場景和技術需求進行權衡。合理選擇和使用防護元件，可以顯著提高接口芯片的可靠性和耐用性，確保電子設備的穩定運行。
表1為上海貝嶺RS485、RS232產品選型表，可以根據不同的應用場景進行多樣化的選擇。
表1 RS485、RS232產品選型表
