信号发生中的串行通信口防雷电路设计参考

接线图 2023年10月20日 20:41 168 admin

智能电表等系统已经广泛地应用到工业和生活的领域。在电表中使用自动抄表技术通过通信端口读取数据，而且大部分情况采用远程读数方式。对于电表应用来说既安全又节省了时间和金钱。实现该技术的关键是确保通信链路安全可靠。由于 RS-485 标准具有长距离传输(1200 米以上)，最大传输数率可以达到 10Mbps，且高信号噪声印制。同时，RS-485 电路具有控制方便，成本低等优点，使多点连接成为可能。因此，RS-485 成为智能电表的标准通信接口。但 RS-485 口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 RS-485 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。因此防雷击保护成为 RS-485 接口设计必须要考虑的。通常，如图所画，使用 PPTC 和 TVS 作为 RS-485 的防雷击保护。

信号发生中的串行通信口防雷电路设计参考第1张

    当雷击发生时，感应过电压由 A/B 线引入，经过 PPTC，然后 GDT 作为初级共模防护，通常GDT 可以承受 10KA(8x20us)浪涌冲击。
    之后残压已经大大降低到 1KV 以下，然后TVS 作为二级保护进行共模/差模保护，到收发器的电压被钳制在 12V 以下，同时，通过 A/B 线上的上拉电压可以保证 A/B 线上的电压保持在高电平。
    而实现对收发器的浪涌保护。通常，对于 4KV 以下过电压，可以省去初级保护—--GDT。单用 TVS 就能实现浪涌保护的要求。当 RS-485 总线与电力线
    （例如 220VAC）搭接短路时。A/B 线上的 PPTC 可以提供短路保护。
    但这种传统方式有问题需要考虑
    1：GDT 浪涌击穿电压较高，这就意味着后面的电阻值比较大。这可能会影响传输距离减少；
    2：TVS 的漏电流较高，以 SMBJ6.0CA 来讲大致在 800uA 左右。这样会影响点对点通讯的可靠性；
    3：PPTC 的响应速度较慢，因此在电力塔接时，可能会造成 TVS 被交流击穿电表 RS-485 接口保护。
    因此综上所述，是否有更好的 RS-485 防雷保护方案呢？
    这里，我们提出了自己的一种方案来满足更高可靠性的要求。
    众所周知，TVS 是半导体保护器件，具有响应速度快，可靠性高的优点。但它是Clamping 保护模式。其残压会比较高
    而我们的 Sidactor 作为半导体器件同样具有响应速度快，可靠性高的优点。但它是Crowbar 保护模式。其导通以后保持电压低，同时还具有抗浪涌能力强，耐搭接能力强特点。
    请看下面图显示的 TVS 与 Sidactor 的工作模式。

信号发生中的串行通信口防雷电路设计参考第2张

    SIDACtor简介：双向顺态过电压保护器。SIDACtor是一种带负阻或正阻特性的新型浪涌吸收器，击穿电压为27～540V，导通电压仅3～4V，可通过的浪涌电流为50～100A。与气体放电管、TVS和MOV等其它类型的瞬态电压保护器比较，SIDACtor具有导通阻抗和开通电压低、响应速度快、电流通量大及可靠性高等特点。因此，它是一种全能的电压保护器件。
    SIDACtor工作原理：SIDAC是一种二端半导体器件，其内部结构与双向晶闸管十分相似，但是没有触发门极，是电压自触发器件。SIDAC的工作状态如同一个开关。当电压低于断态峰值电压VDRM时，其漏电流IDRM极小(小于微安量级)，为断开状态。当电压超过其击穿电压VBO时，产生瞬间雪崩效应。该雪崩电流一旦超过开关电流IS，即进入雪崩倍增，器件的阻抗骤然减小，电压降为导通电压（V<1.5V)。此时，SIDAC进入导通状态，允许通过大的通态电流(0.7-2安培，RMS值)。当电流降到最小维持电流IH值之下时，SIDAC恢复到其断开状态。
    它又称为半导体放电管，俗名：固体放电管 (上海雷卯），它用于通信防雷保护的不可缺少的器件。
    1、RS232口防雷电路设计参考
    RS232口在通信设备上作为调试用接口、板间通信接口和监控信号接口，传输距离不超过15米。调试用接口使用比较频繁，经常带电拔插，因此接口会受到过电压、过电流的冲击，若不进行保护，很容易将接口芯片损坏。常用防护电路如图所示。

信号发生中的串行通信口防雷电路设计参考第3张

    公司采用的RS232接口芯片的输出电压不超过±15V，对接口收发信号线的保护可以选用双向瞬态抑制二极管ESDA14V2L（90pF），限流电阻选100 欧姆，但当产品目标包括北美市场时，防护器件推荐选用1.5SMC18CA，它可以满足NEBS认证的需求。
    用于板间通信的RS232接口电路可以不用防护电路设计，但其他场合应考虑在接口侧输入和输出管脚上采用防护电路。
    2、RS422 或 RS485口防雷电路设计参考
    2.1 室外走线RS422&RS485口防雷电路
    当信号线走线较长，可能出户外时，端口的防护等级要求较高，此时可采用图7-12的防护电路。

信号发生中的串行通信口防雷电路设计参考第4张

图a

信号发生中的串行通信口防雷电路设计参考第5张
图b

    1）G1为三极气体放电管3R097CXA，主要起共模保护；
    2）R1、R2为2W/4.7欧姆电阻，阻值在不影响信号传输质量的情况下可以再取大一些；
    3）整流桥四周和对地共六个二极管为快恢复二极管MURS120T3，整流桥中间为TVS管SM6T6V8A，起后级的共模和差模保护的作用。当被保护端口的信号速率不高时也可以采用图b中的电路。
    2.2室内走线RS422&RS485口防雷电路
    当接口用于小于10米的框间通信时，可根据需要确定是否加防护电路，分别给出了该使用条件下端口常用的单点和多点防护电路。

信号发生中的串行通信口防雷电路设计参考第6张