RS-485总线网络中的抗雷击技术

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　　摘要：在采用双绞线作传输线构成RS-485总线网络中，常因雷电瞬变干扰而损坏器件。本文介绍了一种半导体类气体防雷管构见的两级防雷电路，实现对RS485接口的防雷击和过压保护。

　　关键词：总线 收发器 瞬变

　　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总线仅需用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的应用。

　　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，加上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，RS-485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的瞬变干扰而损坏器件，再者由于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，雷电的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-7～ 12V，超过此范围的过压瞬变就可能损坏器件，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，可使在工作中的器件产生闭锁而不能运行或使器件受损；而感应雷在RS-485传输线上引起的瞬变干扰，其能量更可在瞬间烧毁联结传输线上的全部器件！

　　目前市场上已经有一些RS485芯片，通过在内部集成TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR,瞬变电压抑制二极管）的办法防过压瞬变。TVS的作用原理是当管子两端经受瞬态能量冲击时，能极快地将其两端的阻抗降低，通过将能量吸收掉从而把其两端间的电压箝制在其标称值上，保护后端的元件。受半导体工艺限制，集成到RS-485芯片上的TVS很难做到大功率，在雷击到来时，瞬态能量可以损坏内置的TVS；同时，瞬态电流产生的强磁场会使近距离的其他电路上感应出高电压，即形成所谓的反击，造成电路损坏。RS485芯片上集成TVS的主要功能是为了消除静电（不少厂商的规格书上已有详细介绍），而无法防雷击浪涌。

　　通讯线路的雷击模拟测试，现普遍采用的是国际电联ITU-T K20（局端使用）和ITU-T K21（用户端使用）标准，测试方法为10/700uS;1KV和10/700uS;4KV，正反向各打5次。现有用户在测试时使用国际电工IEC61000-4-5 LEVEL4的 1.2/50;2KV标准，该测试方法一般用来考核电源类端口，但完全不适用于通讯线路的雷击模拟测试标准。实验证明，能通过该条件的内置了TVS的RS485芯片在使用10/700uS;1KV条件进行测试时，第一次模拟雷击后就已经失效！GB 3482-83《电子设备雷击试验方法》和GB 3483-83《电子设备雷击试验导则》中均有相应的规定，对RS485通讯接口而言，应按与电缆相连的电子设备来考虑，应该选用10/700uS;4KV标准来执行雷击模拟测试。

　　对于通讯线路的来说，合理防护的基础是正确选用器件。传统的气体或陶瓷放电管虽然耐流量大，但是其反应速度慢，箝位电压高（约为800V左右）。而压敏电阻的吸收性能较差，寄生电容大，且低电压的压敏电阻漏流大，也不适合用于RS485接口保护。半导体类的防雷过压器件（Sidactor和TVS）虽然反应速度极快，但如前所述其耐受能量不足，难以独立承担整个线路的保护。目前，槟城电子的TED-485半导体类气体防雷管具有反应速度快，寄生电容小（<1pF），浪涌耐量大（>300A@10/700uS）等特性，特别适合用于RS485接口的初级防护。

　　我们的建议是使用TED-485防雷管为基础，构建初级和次级的两级防雷电路，可以实现对RS485接口的整体防雷击和过压保护。
　　图中Q1/Q2/Q3为TED-485防雷管，分别提供线线间和线地间的防雷击过压保护，TED-485防雷管的快速反应特性使雷击过电压被迅速泄放，而浪涌吸收能量大的特性可以保证泄放过程中防雷管自身不被损坏。泄放过程中产生的瞬态大电流会在电路中感应出一个尖峰电压，此电压幅值随电路和器件选择而有所不同，约在数十付到数百伏之间，宽度在数十纳秒到数百纳秒，由于脉宽窄，所以能量不大。次级保护使用的是TVS管，其作用就是将以上所述的尖峰电压吸收掉，可靠地箝位在安全电压范围内。图中的R1/R2可以选用小型线绕电阻或小型有机实心电阻，它可以承受很大的瞬态功率，其作用是为电路提供隔离。

　　可以看到，10/700uS;4KV的雷击模拟信号经过保护电路后电压增量为8V，已经被限制在 12V、-7V的RS485可承受的安全范围内。
以上电路同时具有了±8KV空气静电放电和±4KV接触静电放电防护；在快速脉冲群（EFT）的防护方面，信号线端已通过1KV的测试，另外在没有加电源保护的情况下已通过2KV的电源端测试。如果将电路中的R1/R2换成耐压和阻值合适的PTC，则可具过流保护功能。至此，该电路在防雷击过压的基础上形成了对RS485的整体防护。

　　该雷击保护电路构成简便，可添加到用户新设计电路中或使用独立模块，已经通过权威检测部门检验，且已成功应用于远程自动抄表等需要使用RS485的系统中。

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