RS-485總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的抗雷擊技術(shù)

　　隨著(zhù)數字通訊技術(shù)的發(fā)展和智能家電的普及，一個(gè)系統往往由多個(gè)需要相互通訊的終端組成。例如，樓宇安全監控系統，煤氣表、水電表的自動(dòng)抄表系統、超市的自動(dòng)收費系統等都存在多站、遠距離通信的問(wèn)題。在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，由于RS-485總線(xiàn)僅需用一對雙絞線(xiàn)即可實(shí)現多站聯(lián)網(wǎng)構成分布式系統，且設備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，故在工程項目中獲得廣泛的應用。

　　RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅動(dòng)器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出；在接收端，接收器將差分信號轉換成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達200mV的電壓，使傳輸信號能在千米以外得到恢復。根據RS-485標準，RS-485收發(fā)器的最大傳輸速率為10Mbps，最大電纜長(cháng)度為4000英尺，總線(xiàn)上能連接32個(gè)收發(fā)器（Sipex公司的SP485R允許在一條總線(xiàn)上連接400個(gè)收發(fā)器），廣泛適用于遠距離、多站式、分時(shí)通訊系統。

　　在構成RS-485總線(xiàn)網(wǎng)時(shí)，采用雙絞線(xiàn)作傳輸線(xiàn)，傳輸線(xiàn)一般在室外架空或沿電纜溝敷設,所以，在雷雨季節常發(fā)生因雷電在傳輸線(xiàn)上引起的瞬變干擾而損壞器件，再者由于RS-485的網(wǎng)絡(luò )拓撲一般采用終端匹配的總線(xiàn)型結構，即通常采用一條總線(xiàn)將各個(gè)節點(diǎn)串接起來(lái)，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò )，因此，雷電的引發(fā)的瞬變往往導致傳輸線(xiàn)上的多個(gè)RS-485收發(fā)器損壞，故防雷措施是RS-485技術(shù)實(shí)際使用中必須考慮的問(wèn)題，也是提高系統可靠性一個(gè)十分重要的措施。

　　RS-485接收器差分輸入端對“地”的共模電壓允許-7～12V，超過(guò)此范圍的過(guò)壓瞬變就可能損壞器件，引起過(guò)壓瞬變的來(lái)源通常是雷電、靜電放電、電源系統開(kāi)關(guān)干擾等，例如人體接觸芯片的引腳而產(chǎn)生靜電放電，其電壓可以高達數十千伏，可使在工作中的器件產(chǎn)生閉鎖而不能運行或使器件受損；而感應雷在RS-485傳輸線(xiàn)上引起的瞬變干擾，其能量更可在瞬間燒毀聯(lián)結傳輸線(xiàn)上的全部器件！

　　目前市場(chǎng)上已經(jīng)有一些RS485芯片，通過(guò)在內部集成TVS（TRANSIENTVOLTAGESUPPRESSOR,瞬變電壓抑制二極管）的辦法防過(guò)壓瞬變。TVS的作用原理是當管子兩端經(jīng)受瞬態(tài)能量沖擊時(shí)，能極快地將其兩端的阻抗降低，通過(guò)將能量吸收掉從而把其兩端間的電壓箝制在其標稱(chēng)值上，保護后端的元件。受半導體工藝限制，集成到RS-485芯片上的TVS很難做到大功率，在雷擊到來(lái)時(shí)，瞬態(tài)能量可以損壞內置的TVS；同時(shí)，瞬態(tài)電流產(chǎn)生的強磁場(chǎng)會(huì )使近距離的其他電路上感應出高電壓，即形成所謂的反擊，造成電路損壞。RS485芯片上集成TVS的主要功能是為了消除靜電（不少廠(chǎng)商的規格書(shū)上已有詳細介紹），而無(wú)法防雷擊浪涌。

　　通訊線(xiàn)路的雷擊模擬測試，現普遍采用的是國際電聯(lián)ITU-TK20（局端使用）和ITU-TK21（用戶(hù)端使用）標準，測試方法為10/700uS;1KV和10/700uS;4KV，正反向各打5次?，F有用戶(hù)在測試時(shí)使用國際電工IEC61000-4-5LEVEL4的1.2/50;2KV標準，該測試方法一般用來(lái)考核電源類(lèi)端口，但完全不適用于通訊線(xiàn)路的雷擊模擬測試標準。實(shí)驗證明，能通過(guò)該條件的內置了TVS的RS485芯片在使用10/700uS;1KV條件進(jìn)行測試時(shí)，第一次模擬雷擊后就已經(jīng)失效！GB3482-83《電子設備雷擊試驗方法》和GB3483-83《電子設備雷擊試驗導則》中均有相應的規定，對RS485通訊接口而言，應按與電纜相連的電子設備來(lái)考慮，應該選用10/700uS;4KV標準來(lái)執行雷擊模擬測試。

　　對于通訊線(xiàn)路的來(lái)說(shuō)，合理防護的基礎是正確選用器件。傳統的氣體或陶瓷放電管雖然耐流量大，但是其反應速度慢，箝位電壓高（約為800V左右）。而壓敏電阻的吸收性能較差，寄生電容大，且低電壓的壓敏電阻漏流大，也不適合用于RS485接口保護。半導體類(lèi)的防雷過(guò)壓器件（Sidactor和TVS）雖然反應速度極快，但如前所述其耐受能量不足，難以獨立承擔整個(gè)線(xiàn)路的保護。目前，檳城電子的TED-485半導體類(lèi)氣體防雷管具有反應速度快，寄生電容?。?1pF），浪涌耐量大（>300A@10/700uS）等特性，特別適合用于RS485接口的初級防護。

　　我們的建議是使用TED-485防雷管為基礎，構建初級和次級的兩級防雷電路，可以實(shí)現對RS485接口的整體防雷擊和過(guò)壓保護。
　　圖中Q1/Q2/Q3為T(mén)ED-485防雷管，分別提供線(xiàn)線(xiàn)間和線(xiàn)地間的防雷擊過(guò)壓保護，TED-485防雷管的快速反應特性使雷擊過(guò)電壓被迅速泄放，而浪涌吸收能量大的特性可以保證泄放過(guò)程中防雷管自身不被損壞。泄放過(guò)程中產(chǎn)生的瞬態(tài)大電流會(huì )在電路中感應出一個(gè)尖峰電壓，此電壓幅值隨電路和器件選擇而有所不同，約在數十付到數百伏之間，寬度在數十納秒到數百納秒，由于脈寬窄，所以能量不大。次級保護使用的是TVS管，其作用就是將以上所述的尖峰電壓吸收掉，可靠地箝位在安全電壓范圍內。圖中的R1/R2可以選用小型線(xiàn)繞電阻或小型有機實(shí)心電阻，它可以承受很大的瞬態(tài)功率，其作用是為電路提供隔離。

　　可以看到，10/700uS;4KV的雷擊模擬信號經(jīng)過(guò)保護電路后電壓增量為8V，已經(jīng)被限制在12V、-7V的RS485可承受的安全范圍內。
以上電路同時(shí)具有了±8KV空氣靜電放電和±4KV接觸靜電放電防護；在快速脈沖群（EFT）的防護方面，信號線(xiàn)端已通過(guò)1KV的測試，另外在沒(méi)有加電源保護的情況下已通過(guò)2KV的電源端測試。如果將電路中的R1/R2換成耐壓和阻值合適的PTC，則可具過(guò)流保護功能。至此，該電路在防雷擊過(guò)壓的基礎上形成了對RS485的整體防護。

　　該雷擊保護電路構成簡(jiǎn)便，可添加到用戶(hù)新設計電路中或使用獨立模塊，已經(jīng)通過(guò)權威檢測部門(mén)檢驗，且已成功應用于遠程自動(dòng)抄表等需要使用RS485的系統中。