电子工程专辑
UBM China

RS-485的抗雷击技术

上网日期: 2002年01月26日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


打开微信“扫一扫”,打开网页后点击屏幕右上角分享按钮

1.扫描左侧二维码
2.点击右上角的分享按钮
3.选择分享给朋友

关键字:RS-485? 抗雷技术? ITU-T K20? SP485R?

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。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。RS-485芯片上集成TVS的主要功能是为了消除静电,但不能防雷击浪涌。

对于通讯线路的雷击模拟测试,目前普遍采用国际电联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。也有用户使用国际电工IEC61000-4-5 4级的1.2/50uS;2KV标准来测试,该测试方法一般用来考核电源类端口,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TVS的RS-485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RS-485通讯接口应按与电缆相连的电子设备来考虑,选用10/700uS;4KV标准来执行雷击模拟测试。

通讯线路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电流能力强,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电流大,也不适合用于RS-485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,但如前所述其耐高压能力不足,难以独立承担整个线路的保护。目前的TED-485半导体类气体防雷管具有反应速度快,寄生电容小(小于1pF),耐浪涌能力强(>300A@10/700uS)等特性,特别适合用于RS-485接口的初级防护。

图1所示为以TED-485防雷管为基础构建的初级和次级两级防雷电路,该电路可以实现对RS-485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,在数十伏到数百伏之间,脉宽在数十纳秒到数百纳秒之间。由于脉宽窄,该尖峰电压的能量并不大。次级保护使用TVS管,其作用是吸收上述的尖峰电压,将电压可靠地箝位在安全范围内。图中的R1、R2实现对电路的隔离,可以选用能承受很大的瞬态功率的小型线绕电阻或小型有机实心电阻。

对该电路采用10/700uS;4KV雷击模拟测试,其输出端波形如图2所示。从图中可以看出,10/700uS;4KV的雷击模拟信号经过保护电路后电压增量为8V,该电压限制在-7V到+12V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,则具有过流保护功能。至此,该电路在防雷击过压的基础上形成了对RS-485的整体防护。

该雷击保护电路具有构成简便的特点,可添加到用户新设计电路中或采用独立模块。该电路已成功应用于远程自动抄表等需要使用RS-485的系统中。

卫勇

Sipex公司

dyang@sipex.com







我来评论 - RS-485的抗雷击技术
评论:
*? 您还能输入[0]字
分享到: 新浪微博 qq空间
验证码:
????????????????
?

关注电子工程专辑微信
扫描以下二维码或添加微信号“eet-china”

访问电子工程专辑手机网站
随时把握电子产业动态,请扫描以下二维码

?

5G网络在提供1Gbps至10Gbps吞吐量方面具有很好的前途, 并且功耗要求比今天的网络和手机都要低,同时还能为关键应用提供严格的延时性能。本期封面故事将会与您分享5G的关键技术发展,以及在4G网络上有怎样的进步。

?
?
有问题请反馈
推荐到论坛,赢取4积分X