如何進(jìn)行電表中RS485總線防雷保護(hù)？

中心議題：

防雷保護(hù)器的基本要求 器件選型說明 各種器件的選擇依據(jù) 過壓防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù) 雷擊過壓防護(hù)的接地要求

雷電和靜電干擾已經(jīng)成為485通信總線在實(shí)際工程經(jīng)常遇到的問題，常使通信總線系統(tǒng)遭到毀壞, 數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量受到影響。閱讀本文，高級(jí)工程師教你如何從防雷保護(hù)器基本要求、器件選型、器件選擇依據(jù)、過壓防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)、雷擊過壓防護(hù)等方面，做好485在電表中的防雷保護(hù)。

RS485作為最為最常用的電表通訊方式之一，其具有的噪聲抑制性能高、信令速率高、可以在一個(gè)單獨(dú)的總線上實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)以及能夠使用的收發(fā)器品種多等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來越得到使用與肯定。但是伴隨著使用頻率的增高，其遇到的問題也日益增加。例如，日常生活中雷電和靜電干擾已經(jīng)成為485通信總線在實(shí)際工程經(jīng)常遇到的問題。雷電能夠使各種通信總線構(gòu)成的系統(tǒng)遭到嚴(yán)重的毀壞, 靜電電磁干擾也嚴(yán)重地影響通信總線的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。故如何對(duì)芯片以及總線進(jìn)行有效的保護(hù)，是擺在每一個(gè)使用者面前的一個(gè)問題。在這里，我們主要討論485在電表中的防雷保護(hù)及方案。

一.雷擊過壓防護(hù)的必要性

RS-485接口帶電拔插和抖動(dòng)都會(huì)引起電壓的劇烈變化，都會(huì)使芯片損壞，而RS485總線實(shí)行長距離傳輸(1200米以上)，而且其傳輸線通常暴露于戶外，因此極易因?yàn)槔讚舻仍蛞脒^電壓。而RS485收發(fā)器工作電壓較低(5V左右)，其本身耐壓也非常低(-7V~+12V)，一旦過壓引入，就會(huì)擊穿損壞。在有強(qiáng)烈的浪涌能量出現(xiàn)時(shí)，甚至可以看到收發(fā)器爆裂，線路板焦糊的現(xiàn)象。

二.防雷保護(hù)器的基本要求

在正常運(yùn)行時(shí),雷電保護(hù)器的接入應(yīng)不影響信號(hào)的正常傳輸,雷電保護(hù)器的對(duì)地阻抗應(yīng)非常大,串連在電路中的阻抗應(yīng)非常小，在雷電襲擊通信總線時(shí),雷電保護(hù)器應(yīng)發(fā)揮良好的電壓鉗位作用，其鉗位電壓應(yīng)低于后端控制芯片或其它電器件的耐受電壓水平。在抑制雷電襲擊過程中,雷電保護(hù)器自身應(yīng)完好無損，雷電保護(hù)器對(duì)雷電襲擊應(yīng)具有足夠快的響應(yīng)速度。

三.RS485通訊保護(hù)方案

a.原理圖

以上為RS485總線的兩級(jí)防護(hù)電路圖。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，感應(yīng)過電壓由兩端引入，GDT做一級(jí)防護(hù)，此時(shí)過電壓被大大削弱到數(shù)百伏左右，再經(jīng)過PPTC限浪,TVS做二次限壓，使到后端電路的電壓被箝制在8V左右，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后端電路的保護(hù)。TVS2/3做共模保護(hù)，TVS1做差模保護(hù)。

b.保護(hù)等級(jí)

可通過IEC61000-4-5,4級(jí)標(biāo)準(zhǔn):

1.2/50us 4KV

10/700us 6KV

8/20us 2KA

C.器件選擇

貼片(SMD):

GDT: 3SPC090F

PPTC: MSM020

TVS: SMBJ10CA

插件(DIP):

GDT: C6M09R

PPTC: K250-120U

TVS: P6KE12CA

d.器件選型說明

陶瓷放電管GDT: 直流擊穿電壓大于線路中的正常工作電壓，放電管允許的通過電流超過或等于設(shè)計(jì)通過的最大電流即可。

自恢復(fù)保險(xiǎn)絲PPTC：PPTC的最大額定工作電壓應(yīng)大于電路正常最大工作電壓。IH保持電流應(yīng)大于最大工作電流，IT動(dòng)作電流應(yīng)小于線路的最大可承受電流。

瞬態(tài)抑制二極管TVS：通用信號(hào)傳輸線上TVS的擊穿電壓VBR應(yīng)高于信號(hào)線上傳輸?shù)男盘?hào)電壓,在此前提下, VBR應(yīng)盡可能選得低一些,較低的VBR 可使后端通信芯片得到可靠保護(hù),并且具有較大的通流容量。

e.殘壓波形

6KV 正向

6KV 正向

6KV 反向

6KV 反向

四.各種器件的選擇依據(jù)

GDT 的選擇首先考慮其耐壓耐流能力。如SPA090F的GDT能承受8/20us，4KV雷擊測(cè)試;SPC和BXL系列GDT的可承受8/20us，8KV雷擊測(cè)試;B8M09R系列GDT的能承受8/20us，20KV雷擊測(cè)試等等。保險(xiǎn)絲可選擇限流效果最好的PPTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲， PPTC則可采用0.3-6歐左右， 不動(dòng)作電流為100~200mA,的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。TVS1/2/3選擇根據(jù)芯片的工作電壓與耐壓決定，一般略高于芯片最高工作電壓。

五.過壓防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)

IEC61000-4-5，ITU- T K20/K21及國標(biāo)GB9043均有關(guān)于雷擊浪涌抗擾度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。其通信線路的最高測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為10/700us,4KV。10/700us為通信線路中感應(yīng)出的雷電壓波形，表示波前時(shí)間即從30%峰值上升至90%峰值的時(shí)間為10us，下降至峰值的一半為700us即半峰值時(shí)間。

六.雷擊過壓防護(hù)的接地要求

雷擊浪涌防護(hù)除了需要選擇優(yōu)質(zhì)的防護(hù)器件，進(jìn)行良好的電路板設(shè)計(jì)，接地也是其最重要的要求。一般防雷地都要可靠的連接至大地，且接地電阻不能超過10歐。可靠的接地可以大大提高防護(hù)效果，而不良的接地也會(huì)大大消弱防護(hù)效果。

七.為了降低成本及體積，可不可以只采用一級(jí)防護(hù)

只采用一級(jí)防護(hù)，能承受大能量雷擊的器件(如GDT)不可能一次將雷擊電壓鉗制到芯片可以承受的水平。TVS雖然可以將雷擊電壓一次鉗制到芯片可以承受的水平，所以要承受大的雷擊能量，因此必須兩級(jí)防護(hù)。RS232，RS422的防護(hù)與RS485的防護(hù)方法完全相同。只是根據(jù)其工作電壓的不同，精細(xì)保護(hù)器件TVS的電壓參數(shù)應(yīng)選擇不同。 瞬雷電子在上海，深圳，北京擁有三個(gè)客戶應(yīng)用級(jí)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，可以免費(fèi)為客戶解決從前期的產(chǎn)品方案測(cè)試，方案改進(jìn)，方案再次驗(yàn)證所有能力，并配備專業(yè)的工程師為你提供專業(yè)的指導(dǎo)和技術(shù)支援。