RS485总线雷击过压防护的方案分析

RS485总线雷击过压防护的方案分析

       RS485作为最为最常用的电表通讯方式之一，其具有的噪声抑制性能高、信令速率高、可以在一个单独的总线上实现多节点以及能够使用的收发器品种多等优点，已经越来越得到使用与肯定。但是伴随着使用频率的增高，其遇到的问题也日益增加。例如，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。雷电能够使各种通信总线构成的系统遭到严重的毁坏, 静电电磁干扰也严重地影响通信总线的数据传输质量。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485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

       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

     
           6KV 正向

      
            6KV 正向

     
           6KV 反向

     
          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。 瞬雷电子在上海，深圳，北京拥有三个客户应用级的测试实验室，可以免费为客户解决从前期的产品方案测试，方案改进，方案再次验证所有能力，并配备专业的工程师为你提供专业的指导和技术支援。