RS485接口浪涌保護(hù)器的設(shè)計

摘 要：針對系統(tǒng)中RS485接口對過電壓極其敏感、耐受電壓水平低、容易受到雷電電磁脈沖以及操作過電壓等電磁干擾，該文提出了一種RS485接口特定的浪涌防護(hù)的方案，結(jié)合RS485接口信號的傳輸特點和理論分析，初步設(shè)計出浪涌保護(hù)器件，再通過試驗測試的方法來確定出最合適的浪涌電路元件參數(shù)，以達(dá)到不影響信號正常傳輸?shù)那疤嵯拢种凭€路過電壓的功能。

關(guān)鍵詞：RS485接口 電涌保護(hù)器 兩級保護(hù) 退偶電阻

中圖分類號：T M863 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（a）-00-03

人類社會步入信息化以來，電子信息設(shè)備和計算機(jī)等通訊系統(tǒng)已深入各個領(lǐng)域，給人們生活帶來了極大地方便。隨著便利化、微型化和高度集成化的同時，由于構(gòu)成這類弱電設(shè)備的內(nèi)部的微電子器件、計算機(jī)芯片等集成化程度不斷的提高，難免會出現(xiàn)對過電壓極其敏感，極易受到多種電磁干擾而不利于信息正常傳輸?shù)默F(xiàn)象，給設(shè)備安全可靠性帶來了隱患，造成不可估計的損失[1-3]。

在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)[4-5]。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。因為RS-485接口抗雷電過電壓干擾能力較差，因此設(shè)計特定浪涌保護(hù)器對其進(jìn)行保護(hù)，盡量減小因遭受雷電等沖擊過電壓的干擾、損壞造成的損失，已成為接口設(shè)備可靠性工作中必不可少的環(huán)節(jié)。

1 設(shè)計思路

1.1 浪涌電路設(shè)計

國內(nèi)外很多研究表明：入侵信息系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓波大多是雷電在感應(yīng)而產(chǎn)生的，其幅值一般在10 kV以內(nèi)。為了完整地保護(hù)后級電子設(shè)備，一般設(shè)計兩級保護(hù)電路，第一級采用GDT（氣體放電管）對暫態(tài)過電壓波大部分能量進(jìn)行泄流，第二級使用后級TVS（瞬態(tài)抑制二極管）將過電壓箝位在一個較低的水平，保證其殘壓不超過所保護(hù)設(shè)備的耐受電壓。但是實際上由于GDT與TVS的性能差異很大，在放電響應(yīng)時間方面，GDT一般放電響應(yīng)時間為μs級，而TVS的響應(yīng)時間為ns級。兩者的放電時間相差很大，如果不增加輔助原件，那么必定是TVS先導(dǎo)通，而TVS管的通流量很小，無法完成泄放而被擊穿，最終導(dǎo)致攔截雷電失效。為了實現(xiàn)兩級間的能量配合，使GDT在暫態(tài)過電壓波到達(dá)TVS之前提前導(dǎo)通泄流，需要在兩級保護(hù)器件級之間加裝退耦電阻[6]。退耦電阻阻值還要兼顧到對信號線路正常通信造成的影響，一般的原則是在保證SPD保護(hù)效果的前提下，盡量減小因加入退耦電阻而對信號線路正常通信造成的影響。如果第二級僅僅采用TVS管，其分布電容值很大，對于高頻的信號而言，線路中存在較大的分布電容，對信號正常傳輸?shù)暮懿焕?，因此需要在保護(hù)電路中加裝整流橋，以減小對信號傳輸?shù)挠绊懀ㄈ鐖D1所示）。

圖1 RS485浪涌保護(hù)電路設(shè)計原理圖

1.2 浪涌電路元器件參數(shù)選擇

上述設(shè)計出了RS-485接口的保護(hù)電路，但是并未涉及到元器件的參數(shù)選取，下文針對RS-485的電路傳輸特點，從理論上計算和分析出電路上主要元器件的參數(shù)值。第一級采用氣體放電管，啟動電壓是GDT最重要參數(shù)之一，其數(shù)值的選取涉及到以下兩個方面制約，其一是為了SPD能夠長期可靠的運行，SPD除了要能承受標(biāo)稱電壓 Uo，還要能承受信號網(wǎng)絡(luò)中的一些正常的電壓波動；另一方面為了確保器件的安全，其限值電壓必須限值在設(shè)備的耐受電壓值以內(nèi)[7-8]。因為出現(xiàn)過電壓的幾率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信息正常傳輸?shù)臅r間，因此我們選取的原則是保證不影響信號的正常傳輸?shù)那疤嵯?，保證殘壓限值在耐受電壓范圍內(nèi)。GDT的直流起弧電壓應(yīng)滿足式（1）：

， （1）

（上式中的 Uoc為直流起弧電壓，min（Uoc）為直流放電電壓的下限值，Uc為線路正常運行電壓，1.15系數(shù)是考慮到系統(tǒng)運行電壓可能出現(xiàn)的最大允許波動為15%，同樣系數(shù)25%系數(shù)是在線路運行電壓波動的基礎(chǔ)上在追加25%的安全欲度）。結(jié)合前述RS485的傳輸電性能以及設(shè)備耐壓因素等特點，最終選擇GDT型號為3RM090-8（直流放電電壓90 V）。第二級采用瞬態(tài)抑制二極管TVS，使其殘壓限制在一個較低范圍以內(nèi)。通常信號傳輸線上TVS的擊穿電壓（VBR應(yīng)高于信號線上傳輸?shù)男盘栯妷海?，在此前提下，VBR應(yīng)盡可能選得低一些。綜上所述選用TVS 管型號 P6KE18A。理論上退耦元件有兩種選擇，退耦電阻或者退耦電感。退耦電阻適用于傳輸信號頻率比較高的模擬信號，傳輸速率比較高的數(shù)字信號，退耦電感適用于低壓電源系統(tǒng)。因此這里選擇退耦電阻作為退耦元件[9-10]。在不影響信號傳輸?shù)那疤嵯?，退耦電阻的阻值越大越好，因為增大電阻可以提高提高充氣放電管?TVS 管的匹配效率但退耦電阻也不能過大理論上利用公式R=（Us-Uc）/Is，（其中Us是線路上可能出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓幅值，由于線路上的暫態(tài)過電壓幅值難以預(yù)料，所以一般用充氣放電管的沖擊啟動電壓代替），本試驗中選用的氣體放電管規(guī)格是直流90 V的，沖擊電壓300 V，最終計算得到 R=5.76 Ω。另一方面為了避免引入過大的插入損耗，理論上通常選取阻值為0 Ω、1 Ω、2.2 Ω、4.7 Ω、6 Ω來作為信號類浪涌保護(hù)的退偶原件。顯然優(yōu)選值中沒有5.76 Ω，因此下文我們將結(jié)合試驗選取一個合適的阻值。為了驗證加入整流橋后的效果，試驗中我們選取了型號為2W08的整流橋，進(jìn)行了有無兩種情況下的對比。

2 實驗數(shù)據(jù)分析

為了驗證上述設(shè)計的浪涌保護(hù)電路能否達(dá)到預(yù)期的效果，我們根據(jù)GB/T18802.21-2004 相關(guān)章節(jié)內(nèi)容對所設(shè)計RS485接口信號SPD進(jìn)行傳輸特性試驗、沖擊限制電壓試驗、沖擊耐受試驗。針對試驗中所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對于實驗中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行探究討論，并且對于設(shè)計方中的一些不足之處進(jìn)行修正分析，進(jìn)一步提高設(shè)計的合理性。

2.1 1.2/50 μs 波形沖擊下測試限值電壓實驗

對于信號SPD限值電壓的測試一般使用1.2/50 μs波形，來確定其啟動電壓。一般先采用0.5 kV，1.2/50 μs電壓波先對線-地之間進(jìn)行沖擊，即對5、6、7、8分別與地之間進(jìn)行多次沖擊；再對線間沖擊，即7～8，5～6之間施加沖擊電壓。其次設(shè)定該值沖擊試品，進(jìn)行10次沖擊其中正、負(fù)極性各5次，間隔1 min，輸出端測量沖擊電壓下的電壓峰值，記錄電壓值，求其平均，則可確定其電壓保護(hù)水平。表1為在0.5 kV、1.2/50 μs電壓波沖擊下各個線地之間的限制電壓。

由表1可以看出：在0.5 kV、1.2/50 μs電壓波沖擊下，限制電壓水平基本上維持在400 V左右波動，通過第一級的泄放，可以將線地之間的殘壓限值在一個較低的水平，其線間的限制電壓維持在 15 V左右，從而保護(hù)后級設(shè)備能夠正常運行。

2.2 組合波下沖擊耐受測試實驗

通過本試驗測試該試品的線-地之間的殘壓值是否會引起保護(hù)設(shè)備的絕緣損壞。一般先對線地進(jìn)行測試，如有需要可對線間測試，對多路輸入輸出SPD，隨機(jī)抽取一個回路進(jìn)行測試，本實驗抽取5號線與地線回路進(jìn)行測試。然后將標(biāo)稱耐受能力的8/20 μs沖擊波形施加在 SPD 的輸入端，正負(fù)極性各5次，每次沖擊間隔時間為3 min，在輸出端測量殘壓Ures，其值應(yīng)該小于電壓保護(hù)水平 Up。表2是在不同的沖擊電壓下，線地殘壓和通流水平。

表2為不同沖擊電壓下線-地殘壓以及通流容量的關(guān)系。可以看出：隨著沖擊電壓的增大，線地的殘壓逐漸增大，并且增加的幅度逐漸減小。通流容量也隨著沖擊電壓的增大而增大，并且沖擊電壓和通流的比值接近接近一個定值。由圖2可知，3.5 kV沖擊時的殘壓值64.0 V，此殘壓值不會引起設(shè)備對機(jī)殼的放電。

圖2 復(fù)合波沖擊3.5 kV時殘壓和通流波形圖

2.3 加入整流橋前后靜態(tài)分布電容對比分析

采用TH2818自動元件分析儀，分別對裝有整流橋和未裝整流橋試品的線-間及線-地靜態(tài)分布電容值進(jìn)行六組測試，測試數(shù)據(jù)如表3和4所示。

由表3和表4對比可以看出，線間分布電容比未加入陣列時的300pF下降20pF左右，線地之間的分布電容由40pF下降到10pF左右，顯然作用很明顯，同時測試結(jié)果均滿足RS485數(shù)據(jù)接口對靜態(tài)分布電容值的要求。

2.4 退耦原件阻值的選取

為了避免引入過大的插入損耗，通常選取阻值為0Ω、1Ω、2.2Ω、4.7Ω、6Ω來作為信號類浪涌保護(hù)的退偶原件?，F(xiàn)選用電壓幅值為1 kV的1.2/50 μs沖擊電壓波分別對上述5種阻值的退偶原件進(jìn)行線-地間沖擊測試。記錄其限制電壓值、殘壓值。

據(jù)表5數(shù)據(jù)，可以得出五個試品在復(fù)合波作用下，限制電壓值基本一致，說明退耦電阻阻值的大小對試品的限制電壓影響不大。而在8/20 μs沖擊電流波作用下，退耦電阻阻值小于1.0 Ω的試品無法得到殘壓值，退耦電阻阻值大于2.2 Ω的試品殘壓值逐漸減小，說明退耦電阻阻值小于1.0 Ω的試品前后兩級之間未能實現(xiàn)能量配合，后級TVS承受了幾乎所有的浪涌流，以致被擊穿。而退耦電阻阻值大于1.0 Ω的試品兩級之間實現(xiàn)能量配合，但隨著退耦電阻阻值增大，殘壓值越來越低，對試品及后續(xù)電子設(shè)備的有益。本試品選用網(wǎng)絡(luò)信號分析儀對對上述退耦電阻阻值為4 Ω、6 Ω的不同的試品接入系統(tǒng)后造成的插入損耗及近端串?dāng)_參數(shù)進(jìn)行測試，實驗數(shù)據(jù)如圖3，圖4所示。

圖3 不同電阻值下插入損耗衰減的情況圖4 不同電阻值下近端串?dāng)_的情況

圖3可以清楚的看出阻值為4 Ω的退偶原件的插入損耗小于阻值為6 Ω的原件，結(jié)合前述中測試前后級能量配合情況，應(yīng)選用4.7 Ω的退偶原件，這樣兼顧傳輸信息的流暢性和過電壓保護(hù)的功能。另外，圖4表明阻值為4、6 Ω的退偶原件的近端串?dāng)_都符合測試要求。綜合前述的測試結(jié)果，最終確定本試驗中選定退偶原件阻值為4.7 Ω。

3 結(jié)語

該文針對RS485接口電路的傳輸特點，通過理論計算和實驗驗證了所設(shè)計的浪涌電路基本上可以達(dá)到預(yù)期的效果。同時也給我們提示，通訊接口的不同，所選取元器件的參數(shù)有所差異，需要結(jié)合具體接口的電氣特性才能設(shè)計出合適的浪涌保護(hù)電路。

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