串行通信口防雷電路設計參考

智能電表等系統已經(jīng)廣泛地應用到工業(yè)和生活的領(lǐng)域。在電表中使用自動(dòng)抄表技術(shù)通過(guò)通信端口 讀取數據，而且大部分情況采用遠程讀數方式。對于電表應用來(lái)說(shuō)既安全又節省了時(shí)間和金錢(qián)。實(shí)現該技術(shù)的關(guān)鍵是確保通信鏈路安全可靠。由于 RS-485 標準具有長(cháng)距離傳輸(1200 米以上)，最大傳輸數率可以達到 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 成為智能電表的標準通信接口。 但 RS-485 口傳輸線(xiàn)通常暴露于戶(hù)外，因此極易因為雷擊等原因引入過(guò)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(guò)壓引入，就會(huì )擊穿損 壞。在有強烈的浪涌能量出現時(shí)，甚至可以看到收發(fā)器爆裂，線(xiàn)路板焦糊的現象。因此防雷擊保護成為 RS-485 接口設計必須要考慮的。 通常，如圖 所畫(huà)，使用 PPTC 和 TVS 作為 RS-485 的防雷擊保護

當雷擊發(fā)生時(shí)，感應過(guò)電壓由 A/B 線(xiàn)引入，經(jīng)過(guò) PPTC，然后 GDT 作為初級共模防護，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 保護進(jìn)行共模/差模保護，到收發(fā)器的電壓被鉗制在 12V 以下，同時(shí)，通過(guò) A/B 線(xiàn)上的上拉電壓可 以保證 A/B 線(xiàn)上的電壓保持在高電平。

而實(shí)現對收發(fā)器的浪涌保護。通常，對于 4KV 以下過(guò)電 壓，可以省去初級保護—--GDT。單用 TVS 就能實(shí)現浪涌保護的要求。當 RS-485 總線(xiàn)與電力線(xiàn) （例如 220VAC）搭接短路時(shí)。A/B 線(xiàn)上的 PPTC 可以提供短路保護。 但這種傳統方式有問(wèn)題需要考慮

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

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

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

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

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

SIDACtor簡(jiǎn)介：雙向順態(tài)過(guò)電壓保護器。SIDACtor是一種帶負阻或正阻特性的新型浪涌吸收器，擊穿電壓為27～540V，導通電壓僅3～4V，可通過(guò)的浪涌電流為50～100A。與氣體放電管、TVS和MOV等其它類(lèi)型的瞬態(tài)電壓保護器比較，SIDACtor具有導通阻抗和開(kāi)通電壓低、響應速度快、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器件。

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

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

1、RS232口防雷電路設計參考

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

公司采用的RS232接口芯片的輸出電壓不超過(guò)±15V，對接口收發(fā)信號線(xiàn)的保護可以選用雙向瞬態(tài)抑制二極管ESDA14V2L（90pF），限流電阻選100 歐姆，但當產(chǎn)品目標包括北美市場(chǎng)時(shí)，防護器件推薦選用1.5SMC18CA，它可以滿(mǎn)足NEBS認證的需求。

用于板間通信的RS232接口電路可以不用防護電路設計，但其他場(chǎng)合應考慮在接口側輸入和輸出管腳上采用防護電路。

2、RS422 或 RS485口防雷電路設計參考

2.1 室外走線(xiàn)RS422&RS485口防雷電路

當信號線(xiàn)走線(xiàn)較長(cháng)，可能出戶(hù)外時(shí)，端口的防護等級要求較高，此時(shí)可采用圖7-12的防護電路。

圖a

圖b

1）G1為三極氣體放電管3R097CXA，主要起共模保護；

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)二極管為快恢復二極管MURS120T3，整流橋中間為T(mén)VS管SM6T6V8A，起后級的共模和差模保護的作用。當被保護端口的信號速率不高時(shí)也可以采用圖b中的電路。

2.2室內走線(xiàn)RS422&RS485口防雷電路

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

室內走線(xiàn)RS422&RS485口單點(diǎn)防護電路

室內走線(xiàn)RS422&RS485口一點(diǎn)對多點(diǎn)防護電路

采用的RS422和RS485接口芯片的輸出電壓不超過(guò)±5V，對接口收發(fā)信號線(xiàn)的保護可以選用瞬態(tài)抑制二極管PSOT05C等，輸出端限流電阻選33歐姆（1/4W）。