RS485总线防雷保护方案

2012-05-15 15:59:17来源: 互联网

RS485作为最为最常用的电表通讯方式之一。日常生活中雷电和静电干扰已经成为485通信总线在实际工程经常遇到的问题。故如何对芯片以及总线进行有效的保护,是摆在每一个使用者面前的一个问题。在这里,我们主要讨论RS485在电表中的防雷保护及方案。

  一.雷击过压防护的必要性

  RS-485接口带电拔插和抖动都会引起电压的剧烈变化,都会使芯片损坏,而RS485总线实行长距离传输(1200米以上),而且其传输线通常暴露于户外,因此极易因为雷击等原因引入过电压。而RS485收发器工作电压较低(5V左右),其本身耐压也非常低(-7V~+12V),一旦过压引入,就会击穿损坏。在有强烈的浪涌能量出现时,甚至可以看到收发器爆裂,线路板焦糊的现象。

  二.防雷保护器的基本要求

  在正常运行时,雷电保护器的接入应不影响信号的正常传输,雷电保护器的对地阻抗应非常大,串连在电路中的阻抗应非常小,在雷电袭击通信总线时,雷电保护器应发挥良好的电压钳位作用,其钳位电压应低于后端控制芯片或其它电器件的耐受电压水平。在抑制雷电袭击过程中,雷电保护器自身应完好无损,雷电保护器对雷电袭击应具有足够快的响应速度。

  三.RS485通讯保护方案

  a.原理图

  

《国际电子商情》

 

  以上为RS485总线的两级防护电路图。当雷击发生时,感应过电压由两端引入,GDT做一级防护,此时过电压被大大削弱到数百伏左右,再经过PPTC限浪,TVS做二次限压,使到后端电路的电压被箝制在8V左右,从而实现对后端电路的保护。TVS2/3做共模保护,TVS1做差模保护。

  b.保护等级

  可通过IEC61000-4-5,4级标准:

  1.2/50us 4KV

  10/700us 6KV

  8/20us 2KA

  C.器件选择

  贴片(SMD):

  GDT: 3SPC090F

  PPTC: MSM020

  TVS: SMBJ10CA

  插件(DIP):

  GDT: C6M09R

  PPTC: K250-120U

  TVS: P6KE12CA

  d.器件选型说明

  陶瓷放电管GDT: 直流击穿电压大于线路中的正常工作电压,放电管允许的通过电流超过或等于设计通过的最大电流即可。

  自恢复保险丝PPTC:PPTC的最大额定工作电压应大于电路正常最大工作电压。IH保持电流应大于最大工作电流,IT动作电流应小于线路的最大可承受电流。

  瞬态抑制二极管TVS:通用信号传输线上TVS的击穿电压VBR应高于信号线上传输的信号电压,在此前提下, VBR应尽可能选得低一些,较低的VBR 可使后端通信芯片得到可靠保护,并且具有较大的通流容量。

e.残压波形

  

《国际电子商情》

 

  6KV 正向

  

《国际电子商情》

 

  6KV 正向

  

《国际电子商情》

 

  6KV 反向

  

《国际电子商情》

 

  6KV 反向

  四.各种器件的选择依据

  GDT的选择首先考虑其耐压耐流能力。如SPA090F的GDT能承受8/20us,4KV雷击测试;SPC和BXL系列GDT的可承受8/20us,8KV雷击测试;B8M09R系列GDT的能承受8/20us,20KV雷击测试等等。保险丝可选择限流效果最好的PPTC自恢复保险丝, PPTC则可采用0.3-6欧左右, 不动作电流为100~200mA,的自恢复保险丝。TVS1/2/3选择根据芯片的工作电压与耐压决定,一般略高于芯片最高工作电压。

  五.过压防护标准的依据

  IEC61000-4-5,ITU-T K20/K21及国标GB9043均有关于雷击浪涌抗扰度测试标准。其通信线路的最高测试标准为10/700us,4KV。10/700us为通信线路中感应出的雷电压波形,表示波前时间即从30%峰值上升至90%峰值的时间为10us,下降至峰值的一半为700us即半峰值时间。

  六.雷击过压防护的接地要求

  雷击浪涌防护除了需要选择优质的防护器件,进行良好的电路板设计,接地也是其最重要的要求。一般防雷地都要可靠的连接至大地,且接地电阻不能超过10欧。可靠的接地可以大大提高防护效果,而不良的接地也会大大消弱防护效果。

  七.为了降低成本及体积,可不可以只采用一级防护

  只采用一级防护,能承受大能量雷击的器件(如GDT)不可能一次将雷击电压钳制到芯片可以承受的水平。TVS虽然可以将雷击电压一次钳制到芯片可以承受的水平,所以要承受大的雷击能量,因此必须两级防护。RS232,RS422的防护与RS485的防护方法完全相同。只是根据其工作电压的不同,精细保护器件TVS的电压参数应选择不同。

关键字:RS485  总线防雷

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0515/article_16036.html
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