RS-485总线电路中的过热保护

1 引言

在某物理层线路驱动电路的热关断(TSD)电路是作为过热保护电路。RS-485物理层电路的低阻抗输出驱动器需要TSD功能用于保护其免受故障或因使用不当而造成损坏。TSD电路的基本功能是检测器件结温(封装硅片温度)是否超过其允许值，并关断驱动器输出电路，以降低结温,使之返回其容许值。

TSD电路不应干扰器件的正常工作。具体地说,如果器件结温未超过推荐的工作条件，则不能启用TSD电路。在器件正常工作时启用TSD可能中断数据传输，这是由于TSD触发时低阻抗三态输出，驱动器关断。TSD电路通常与其他故障保护功能相配合。由于TSD触发对数据传输的破坏性，因此TSD电路是器件免受损坏的最后一道保护机制。

了解TSD如何实现过热保护有助于正确设计系统,避免误触发TSD。同时还能了解TSD的可靠性、TSD不启动的条件及其局限性。  

2 过热保护的起因

2．1 故障条件

2．1．1 短路

短路是产生TSD触发的最常见故障。短路时器件结温迅速上升，直至超出所推荐的工作条件。短路分为硬短路(低阻抗)和软短路(中度阻抗)。短路可能在器件总线引脚与电源(电池、稳压电源)、总线引脚与地、总线引脚与总线引脚之间产生，如图1所示。硬短路通常导致TSD在器件的低阻抗输出端触发，这是由于驱动器输出端吸入或源出的电流大大高于正常电流,并且驱动电流通常超出正常工作电流几个数量级。例如,器件正常工作时RS-485驱动电流约为30 mA，而短路时则高于200 mA。软短路可能导致电路TSD触发,主要取决于短路阻抗、短路电压、驱动器输出能力、器件封装、电路板的散热特性以及短路持续时间等因素。当结温超过TSD触发点时，TSD开启，线路驱动器输出关闭。


2．1．2 总线竞争

总线竞争属于数据传输总线故障，可能导致线路TSD触发。当挂接在一条数据总线上的两个或两个以上驱动器同时将总线驱动为相反状态时，则产生总线竞争，如图2所示。总线竞争是短路的另一种表现形式,一般是在两个或两个以上驱动器的总线引脚之间产生,而不是在总线引脚与电源之间或同一驱动器的总线引脚之间产生。地电压偏置VOFFSET会加剧总线竞争,地电压偏置越大，驱动器之间的电位差越高,则短路电流越大，短路电流超过门限时驱动器处入短路状态。短路电流门限越高，地电压偏置量恒定时器件结温越高，结温超过极限时TSD触发，同时调节器件结温。



2．2 双极型晶体管的热耗散

双极型晶体管集电极电流IC具有正温度系数。双极型晶体管温度越高，输出电流IC就越大。高温下，双极型晶体管内部载流子浓度nI，较大。由于IC与nI成正比，因此输入电压Vbe相同时，电流较大。

高温时双极型晶体管输出电流较大，如果电路设计不当，无法限制输出电流，容易产生热失控，如图3(a)所示。双极晶体管采用共射极接法，构成低侧驱动器，带小阻值电阻负载。当双极型晶体管导通时射极电流增加使结温上升，这样流过双极晶体管的电流更大。如果大电流使得结温进一步上升，则形成正反馈,导致温度和电流无限上升，直至双极晶体管由于热击穿而被烧坏。通过短路电流(OOS)限制、射极负反馈和／或热关断等方法来避免双极晶体管热失控，且不宜单独启用TSD。如图3(b)和3(e)所示。TSD电路应与上述方法相配合，最大限度提高承受双极晶体管热失控能力。



2．3 高环境温度或高信号速率

环境温度过高导致数据传输期间器件结温超过绝对最大额定值，这是过热的另一种表现。当器件从电源吸收足够电流，造成结温升高直至高于环境温度时，启用TSD电路降低器件结温。由于TSD电路能关断驱动器，因此只有当线路驱动器传输数据时才使用TSD降低器件结温。

高信号传输速率也能导致数据传输期间器件结温超过绝对最大额定值，这也是过热的另一表现。由于驱动器的高信号速率是造成电路功耗过高的主要原因,因此通常使用TSD降低器件结温。接收器的功耗通常比驱动器小得多，因此，当信号速率较高时,接收器不会导致结温大幅上升。

若对环境温度、负载条件、信号传输速率以及应用中电路板的热环境遵循器件制造商推荐的参数进行控制，可避免产生上述两种过热。

3 过热保护的实施

3．1 驱动器输出电流与结温的关系

电路设计时加入TSD电路主要是应对某些故障事件。造成结温升高的主要故障是短路及总线竞争。将驱动器输出置为三态可使器件在过热时免于损坏,因为可对因短路或总线竞争事件导致的较高结温进行调节，使其暂时维持一个较低值。图4为驱动器输出电流与结温的曲线图。当结温升至触发点时,TSD发出信号使驱动器进入三态，可使驱动器输出电流降低至0 mA且结温也随之下降。那么，当结温降至触发点时，驱动器再次打开。需要注意的是,温度升高至超过结温触发点和温度降低至低于结温触发点时均存在迟滞，可避免TSD电路输出的噪声和电压弹跳跃。