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RS485数据总线雷击过压防浪涌保护方案RS485数据总线雷击过压防浪涌保护方案串口系列2008-11-08 15:45:51 阅读255 评论0 字号：大中小订阅1、RS485 总线的应用领域：工业控制，DCS，数据采集系统高速公路收费系统过程控制及制造电力系统采集与控制系统远程终端互连2、雷击过压防护的必要性：由于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），其本身耐压非常低（-7~+12V），一旦过压引入，就会击穿损坏芯片。
还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。
3、防护方法及原理图：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，G2与G3进行共模防护，G1进行差模防护，此时过电压被大大削弱到约500V左右，在经过电阻R1、R2限浪，TVS1/2二次限压后，到收发器的电压被箝制在6.8V左右，从而实现对收器的保护。
4、方案选择与对比5、知识问答问：各种器件的选择依据是什么？G1G2G3的选择首先考虑其耐压耐流的能力。
如YS-301能承受10/700μS，4KV雷击测试；90V陶瓷放电管（3RM090L-8）可承受10/700μS, 8KV雷击测试；R1R2可选择限流效果最好的高成PPTC，他既可以是一个限流电阻，也可以当一个保险丝使用。
当然这里也可以选择线绕电阻，经过实际测试，该方案中的线绕电阻选择为10Ω/1W,价格低廉，效果不错；PTC则可以采用10Ω左右，100~200MA，耐压250V以上的自恢复保险丝。
TVS1/2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，可以6.8V-10V之间选择。
问：过压防护标准的依据是什么？IEC6100-4-5，ITU-T K20/K21及国标GB9043均有关于雷击浪涌抗扰度测试标准。
RS485通讯防雷一、电路1.1. RS485通讯标准协议相信RS485通讯标准大家都已经熟悉了，也不再多说。
下面的说明部分在网上广为流传，就抄抄下来吧。
典型的串行通讯标准是RS232和RS485.它们定义了电压,阻抗等。
但不对软件协议给予定义，区别于RS232, RS485的特性包括：a. RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6） V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。
接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。
b. RS-485的数据最高传输速率为10Mbpsc. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。
d. RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米。
RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器，因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。
因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。
1.2. 典型的RS485通信芯片以TI为例，通常所用的BC184，内置TVS保护，具有15KV静电防护能力；稍差一点的BC182，则可以防护至8KV ESD冲击；而3082，则只能承受4KV ESD冲击。
在选用485芯片时，需注意其ESD 防护能力，驱动能力，对485总线差分信号的定义等。
1.3. 485应用电路举例。
a. A/B线需拉上下拉，保证总线空闲时，A/B差分信号仍是确定状态，避免杂讯影响。
上/下拉电阻取得小，则负载加重，会影响485总路线上节点数量；而取得大，则会影响数据传输的波特率。
，一般在几K到几十K之间，具体还在看应用电路的需求。
(比如此电路中上/下拉取值为3.3K，在实际带载测试(1200bps)时，485总线上只能挂十几外负载；而换成47K，则可以挂到一百多个负载；但若要在9600bps下通信，则上/下拉要小一些才行，目前的试验发现，10K基本上已经是极限了)b. 对地TVS用作ESD防护。
PTC在RS485通讯端口的防雷保护一、基本背景介绍RS485作为目前行业内最为最常用的串行差分通讯方式之一，采用平衡发送，差分接收的方式，因此具有抑制共模干扰的能力，由于其具有通讯距离长（1200m以上），传输速率高（10Mbps），高的信噪比，控制方便，成本低，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，已经越来越得到用户的肯定。
但是伴随着使用频率的增高，其遇到的问题也日益增加。
由于RS485通讯传输线通常暴露于户外，日常生活中雷电和静电干扰已经成为RS485通信总线在实际工程经常遇到的问题，RS485收发器的工作电压较低，只有5V，元器件本身的耐压也较低，通常只有－7V～＋12V，因此雷电等引入的过电压通常能够瞬间损坏RS485收发器，对通信系统造成遭到严重的毁坏；此外，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RS485芯片以及传输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，我们将针对RS485通讯中的防雷保护及方案、元器件选型等做一个比较详细的讨论。
二、RS485通讯保护方案A.原理图以上为RS485总线的两级防护原理图。
当雷击发生时，感应过电压通过传输线由左端引入，G1~G3组成的GDT做一级防护，此时过电压被大大削弱到数百伏左右，整个回路由于GDT的导通呈现较大的电流，导致PPTC 立刻动作，将整个回路的电流限制在允许的范围以内；TVS1~TVS2做为二次限压，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。
B.保护等级可通过IEC61000-4-5,4级标准:1.2/50us 4KV10/700us 6KV8/20us 2KAC.器件选择GDT: ××××PPTC: WH250-120/145TVS: ××××D.器件选型说明气体放电管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。
RS-485在多功能电能表中的防雷设计智能电表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1所画，使用PPTC和TVS作为RS-485的防雷击保护图1：电表RS-485接口保护当雷击发生时，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。
RS485传收器实现强大的雷击保护功能智能电网(Smart Grid) 是目前全世界重要的节能减碳政策之一，其中具有可长距离通讯的RS485网络，是智能电网中关键的传输接口。
RS-485传输线一般架在室外或沿电缆铺设，所以常发生因雷击在传输线上引起瞬变干扰而损坏器件。
此外，RS-485网络一般是Party-Line (or Bus)结构，即一条总线(Bus)连接数十至数百个RS485传收器(Transceiver)。
因此，雷击浪涌(Surge)产生电压突波可能会导致传输线上数百个RS-485传收器的损坏。
故任何的电压突波保护措施是RS-485实际使用中必须考虑的问题，也是提高系统可靠性及安全性重要的措施。
晶焱科技本持着在ESD领域的专业设计经验，推出具有IEC61000-4-5 (8/20μs) ±30A雷击功能的RS485传收器(AZRS3082)，AZRS3082是目前市面上雷击保护功能最强大的RS485传收器。
AZRS3082具有最强大的ESD保护功能在传统的RS485传收器中，为了符合DL/T 645的标准，传输线接口A,B两端会有HBM 15kV的规格，但在实际应用上，这样的防护是不够的。
所以目前一般的解决方法是在RS-485传收器外部加上瞬变电压抑制二极管(Transient Voltage Suppressor, TVS)来防止电压突波，但一般的TVS很难做到大功率，所以在雷击浪涌到来时，瞬间大能量会直接损坏一般的TVS，尤其是整合到芯片中的TVS更是脆弱，所以设计上还是需要外加雷击浪涌保护组件。
目前外加的雷击浪涌保护组件有气体及陶瓷放电管、压敏电阻及TVS三种。
放电管的耐电流能力很强，但是其反应速度慢，箝制电位也非常高(约为800V左右)，这样的特性使其保护效果大打折扣，常会遇到即使加了放电管，受保护组件仍会损害。
压敏电阻其寄生电容大，导通电阻也高，且低电压的压敏电阻漏电流大，也不适合用于RS-485接口保护。
RS485RS485防雷方案防雷方案一.RS485RS485半双工防雷电路半双工防雷电路A :为通常所述Data+/Rx+B :为通常所描述Data-/Rx-说明说明::1.1.防雷保护器的基本要求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。
二.器件一览表三.器件说明GDT 选择要3R090(动作电压在72V~108V,它能保证第一级保护完后,到第二级的电压低于108V.这样第二级器件的处理电压就在小范围内。
PPTC 选择100ma,因为考虑RS485数据线的电流量在30mA以下,加上其它干扰信号,电流也不会超过50mA,再加上此型号的内阻及感抗匹配相对较好,利用PPTC感抗特性,可以让GDT更充分的保护处理。
产品产品类型类型GDT 气体放电管PPTC 自恢复保险丝差模器件共模器件贴片型号2R090M SMD1206-010或SMD1206-01SMD1206-0122SMBJ6.5CA INT.P0080SAL SMBJ SMBJ121212CA CA 3R090M插件型号2R090L250V-120INT.P0080LAL 或P6KE6.8CA P6KE16CA 3R090L差模TVS保护选择关断电压小于6V左右的第二级保护,这样可以保证差分信号不会被器件吸收;嵌位电压在10V左右,意味被TVS后端电压不会高于10V。
再者,RS485转换芯片的IPP下最大承受电压一般会在13V以上,这样就有效的保护到后级电路。
偌总线BUS上RS485接口较多,距离0.5KM 以上,差模线上建议半导体放电管INT.P0080SAL、INT.P0080LAL ,它电容量偏低,对数据的影响会更小,效果更好!共模TVS保护选择关断电压小于12V左右的第二级保护,因为典型的MAX485芯片厂家,提供的(-7V~+12V common-mode input voltage range共模-7V~+12V的共模电压,所以共模线上用SMBJ12CA 或P6KE16CA ,动作电压在13~14V之间。
通讯接口RS485的电磁兼容设计方案一.原理图设计方案1. RS485接口6KV防雷电路设计方案图1 RS485接口防雷电路接口电路设计概述：RS485用于设备与计算机或其它设备之间通讯，在产品应用中其走线多与电源、功率信号等混合在一起，存在ＥＭＣ隐患。
本方案从EMC原理上，进行了相关的抑制干扰和抗敏感度的设计，从设计层次解决EMC问题。
电路EMC设计说明：（1）电路滤波设计要点：L1为共模电感，共模电感能够对衰减共模干扰，对单板内部的干扰以及外部的干扰都能抑制，能提高产品的抗干扰能力，同时也能减小通过429信号线对外的辐射，共模电感阻抗选择范围为120Ω/100MHz ~2200Ω/100MHz，典型值选取1000Ω/100MHz；C1、C2为滤波电容，给干扰提供低阻抗的回流路径，能有效减小对外的共模电流以同时对外界干扰能够滤波；电容容值选取范围为22PF~1000pF，典型值选取100pF；若信号线对金属外壳有绝缘耐压要求，那么差分线对地的两个滤波电容需要考虑耐压；当电路上有多个节点时要考虑降低或去掉滤波电容的值。
C3为接口地和数字地之间的跨接电容，典型取值为1000pF，C3容值可根据测试情况进行调整；（2）电路防雷设计要点：为了达到IEC61000-4-5或GB17626.5标准，共模6KV，差摸2KV的防雷测试要求，D4为三端气体放电管组成第一级防护电路，用于抑制线路上的共模以及差模浪涌干扰，防止干扰通过信号线影响下一级电路；气体放电管标称电压VBRW要求大于13V，峰值电流IPP要求大于等于143A；峰值功率WPP要求大于等于1859W；PTC1、PTC2为热敏电阻组成第二级防护电路，典型取值为10Ω/2W；为保证气体放电管能顺利的导通，泄放大能量必须增加此电阻进行分压，确保大部分能量通过气体放电管走掉；D1~D3为TSS管（半导体放电管）组成第三级防护电路，TSS管标称电压VBRW要求大于8V，峰值电流IPP要求大于等于143A；峰值功率WPP要求大于等于1144W；接口电路设计备注：如果设备为金属外壳，同时单板可以独立的划分出接口地，那么金属外壳与接口地直接电气连接，且单板地与接口地通过1000pF电容相连；如果设备为非金属外壳，那么接口地PGND与单板数字地GND直接电气连接。
RS485 总线防雷保护方案
RS485 作为最为最常用的电表通讯方式之一。
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。
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RS485 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。
RS-485的抗雷击技术RS-485防雷击设计是提高系统可靠性的重要措施。
本文将介绍RS-485防雷击技术的实现原理和相关标准，并介绍采用TED-485为基础实现RS-485接口的整体防雷击和过压保护的实现方法及模拟实验测试结果。
随着数字通讯技术的发展和智能家电的普及，一个系统往往由多个需要相互通讯的终端组成。
例如，楼宇安全监控系统、煤气表、水电表的自动抄表系统、超市的自动收费系统等都存在多站、远距离通信的问题。
在要求通信距离为几十米到上千米时，由于RS-485总线仅需要一对双绞线即可实现多站联网构成分布式系统，且设备简单、价格低廉，故在工程项目中获得广泛应用。
RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号转换成TTL电平，因此具有抑制共模干扰的能力。
同时由于接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，使传输信号能在千米以外得到恢复。
根据RS-485标准，收发器的最大传输速率为10Mbps，最大电缆长度为4000英尺，总线上能连接32个收发器(Sipex公司的SP485R允许在一条总线上连接400个收发器)，广泛适用于远距离、多站式、分时通讯系统。
在构成RS-485总线网时，采用双绞线作传输线，传输线一般在室外架空或沿电缆沟敷设,所以，在雷雨季节常发生因雷电在传输线上引起瞬变干扰而损坏器件。
另外，由于RS-485的网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，即通常采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络，因此，雷电引发的瞬变往往导致传输线上的多个RS-485收发器损坏，故防雷措施是RS-485技术实际使用中必须考虑的问题，也是提高系统可靠性一个十分重要的措施。
RS-485接收器差分输入端对“地”的共模电压允许范围为-7到+12V，超过此范围的过压瞬变可能会损坏器件。
引起过压瞬变的来源通常是雷电、静电放电、电源系统开关干扰等，例如人体接触芯片的引脚而产生静电放电，其电压可以高达数十千伏，可以使工作中的器件产生闭锁而不能运行或使器件受损；而雷电感应在RS-485传输线上引起的瞬变干扰，其能量更可在瞬间烧毁连接在传输线上的全部器件！目前市场上有一些RS-485芯片通过在内部集成瞬变电压抑制二极管(TVS)来防过压瞬变。
