串行通信口防雷電路設(shè)計(jì)參考

時(shí)間：2016-07-07 00:04:09

關(guān)鍵字：串行通信口電路設(shè)計(jì) 防雷電路

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[導(dǎo)讀]智能電表等系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)和生活的領(lǐng)域。在電表中使用自動抄表技術(shù)通過通信端口讀取數(shù)據(jù)，而且大部分情況采用遠(yuǎn)程讀數(shù)方式。對于電表應(yīng)用來說既安全又節(jié)省了時(shí)

智能電表等系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)和生活的領(lǐng)域。在電表中使用自動抄表技術(shù)通過通信端口讀取數(shù)據(jù)，而且大部分情況采用遠(yuǎn)程讀數(shù)方式。對于電表應(yīng)用來說既安全又節(jié)省了時(shí)間和金錢。實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵是確保通信鏈路安全可靠。由于 RS-485 標(biāo)準(zhǔn)具有長距離傳輸(1200 米以上)，最大傳輸數(shù)率可以達(dá)到 10Mbps，且高信號噪聲印制。同時(shí)，RS-485 電路具有控制方便，成本低等優(yōu) 點(diǎn)，使多點(diǎn)連接成為可能。因此，RS-485 成為智能電表的標(biāo)準(zhǔn)通信接口。但 RS-485 口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 RS-485 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。因此防雷擊保護(hù)成為 RS-485 接口設(shè)計(jì)必須要考慮的。通常，如圖所畫，使用 PPTC 和 TVS 作為 RS-485 的防雷擊保護(hù)

當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，感應(yīng)過電壓由 A/B 線引入，經(jīng)過 PPTC，然后 GDT 作為初級共模防護(hù)，通常 GDT 可以承受 10KA(8x20us)浪涌沖擊。

之后殘壓已經(jīng)大大降低到 1KV 以下，然后 TVS 作為二級保護(hù)進(jìn)行共模/差模保護(hù)，到收發(fā)器的電壓被鉗制在 12V 以下，同時(shí)，通過 A/B 線上的上拉電壓可以保證 A/B 線上的電壓保持在高電平。

而實(shí)現(xiàn)對收發(fā)器的浪涌保護(hù)。通常，對于 4KV 以下過電壓，可以省去初級保護(hù)—--GDT。單用 TVS 就能實(shí)現(xiàn)浪涌保護(hù)的要求。當(dāng) RS-485 總線與電力線 (例如 220VAC)搭接短路時(shí)。A/B 線上的 PPTC 可以提供短路保護(hù)。但這種傳統(tǒng)方式有問題需要考慮

1：GDT 浪涌擊穿電壓較高，這就意味著后面的電阻值比較大。這可能會影響傳輸距離減少

2：TVS 的漏電流較高，以 SMBJ6.0CA 來講大致在 800uA 左右。這樣會影響點(diǎn)對點(diǎn)通訊的可靠性

3：PPTC 的響應(yīng)速度較慢，因此在電力塔接時(shí)，可能會造成 TVS 被交流擊穿電表 RS-485 接口保護(hù)。

因此綜上所述，是否有更好的 RS-485 防雷保護(hù)方案呢? 這里，我們提出了自己的一種方案來滿足更高可靠性的要求。

眾所周知，TVS 是半導(dǎo)體保護(hù)器件，具有響應(yīng)速度快，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。但它是 Clamping 保護(hù)模式。其殘壓會比較高而我們的 Sidactor 作為半導(dǎo)體器件同樣具有響應(yīng)速度快，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。但它是 Crowbar 保護(hù)模式。其導(dǎo)通以后保持電壓低，同時(shí)還具有抗浪涌能力強(qiáng)，耐搭接能力強(qiáng)特點(diǎn)。請看下面圖顯示的 TVS 與 Sidactor 的工作模式。

SIDACtor簡介：雙向順態(tài)過電壓保護(hù)器。SIDACtor是一種帶負(fù)阻或正阻特性的新型浪涌吸收器，擊穿電壓為27～540V，導(dǎo)通電壓僅3～4V，可通過的浪涌電流為 50～100A。與氣體放電管、TVS和MOV等其它類型的瞬態(tài)電壓保護(hù)器比較，SIDACtor具有導(dǎo)通阻抗和開通電壓低、響應(yīng)速度快、電流通量大及可靠性高等特點(diǎn)。因此，它是一種全能的電壓保護(hù)器件。

SIDACtor工作原理：SIDAC是一種二端半導(dǎo)體器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與雙向晶閘管十分相似，但是沒有觸發(fā)門極，是電壓自觸發(fā)器件。SIDAC的工作狀態(tài)如同一個(gè)開關(guān)。當(dāng)電壓低于斷態(tài)峰值電壓VDRM時(shí)，其漏電流IDRM極小(小于微安量級)，為斷開狀態(tài)。當(dāng)電壓超過其擊穿電壓VBO時(shí)，產(chǎn)生瞬間雪崩效應(yīng)。該雪崩電流一旦超過開關(guān)電流IS，即進(jìn)入雪崩倍增，器件的阻抗驟然減小，電壓降為導(dǎo)通電壓(V<1.5V)。此時(shí)，SIDAC進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，允許通過大的通態(tài)電流(0.7-2安培，RMS值)。當(dāng)電流降到最小維持電流IH值之下時(shí)，SIDAC恢復(fù)到其斷開狀態(tài)。

它又稱為半導(dǎo)體放電管，俗名：固體放電管 (上海雷卯)，它用于通信防雷保護(hù)的不可缺少的器件。

1、RS232口防雷電路設(shè)計(jì)參考

RS232口在通信設(shè)備上作為調(diào)試用接口、板間通信接口和監(jiān)控信號接口，傳輸距離不超過15米。調(diào)試用接口使用比較頻繁，經(jīng)常帶電拔插，因此接口會受到過電壓、過電流的沖擊，若不進(jìn)行保護(hù)，很容易將接口芯片損壞。常用防護(hù)電路如圖所示。

公司采用的RS232接口芯片的輸出電壓不超過±15V，對接口收發(fā)信號線的保護(hù)可以選用雙向瞬態(tài)抑制二極管ESDA14V2L(90pF)，限流電阻選100 歐姆，但當(dāng)產(chǎn)品目標(biāo)包括北美市場時(shí)，防護(hù)器件推薦選用1.5SMC18CA，它可以滿足NEBS認(rèn)證的需求。

用于板間通信的RS232接口電路可以不用防護(hù)電路設(shè)計(jì)，但其他場合應(yīng)考慮在接口側(cè)輸入和輸出管腳上采用防護(hù)電路。

2、RS422 或 RS485口防雷電路設(shè)計(jì)參考

2.1 室外走線RS422&RS485口防雷電路

當(dāng)信號線走線較長，可能出戶外時(shí)，端口的防護(hù)等級要求較高，此時(shí)可采用圖7-12的防護(hù)電路。

圖a

1)G1為三極氣體放電管3R097CXA，主要起共模保護(hù);

2)R1、R2為2W/4.7歐姆電阻，阻值在不影響信號傳輸質(zhì)量的情況下可以再取大一些;

3)整流橋四周和對地共六個(gè)二極管為快恢復(fù)二極管MURS120T3，整流橋中間為TVS管SM6T6V8A，起后級的共模和差模保護(hù)的作用。當(dāng)被保護(hù)端口的信號速率不高時(shí)也可以采用圖b中的電路。

2.2室內(nèi)走線RS422&RS485口防雷電路

當(dāng)接口用于小于10米的框間通信時(shí)，可根據(jù)需要確定是否加防護(hù)電路，分別給出了該使用條件下端口常用的單點(diǎn)和多點(diǎn)防護(hù)電路。

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室內(nèi)走線RS422&RS485口單點(diǎn)防護(hù)電路