PTC在RS485通訊端口中的防雷保護方案

2021-08-19 10:51:15 lipscall

      一、基本背景介紹

 

      RS485作為目前行業(yè)內(nèi)最為最常用的串行差分通訊方式之一，采用平衡發(fā)送，差分接收的方式，因此具有抑制共模干擾的能力，由于其具有通訊距離長（1200m以上），傳輸速率高（10Mbps），高的信噪比，控制方便，成本低，可以在一個單獨的總線上實現(xiàn)多節(jié)點以及能夠使用的收發(fā)器品種多等優(yōu)點，已經(jīng)越來越得到用戶的肯定。

 

      但是伴隨著使用頻率的增高，其遇到的問題也日益增加。由于RS485通訊傳輸線通常暴露于戶外，日常生活中雷電和靜電干擾已經(jīng)成為RS485通信總線在實際工程經(jīng)常遇到的問題，RS485收發(fā)器的工作電壓較低，只有5V，元器件本身的耐壓也較低，通常只有－7V～＋12V，因此雷電等引入的過電壓通常能夠瞬間損壞RS485收發(fā)器，對通信系統(tǒng)造成遭到嚴重的毀壞；此外，靜電電磁干擾也嚴重地影響通信總線的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

 

      故如何對RS485芯片以及傳輸總線進行有效的保護，是擺在每一個使用者面前的一個問題。在這里，我們將針對RS485通訊中的防雷保護及方案、元器件選型等做一個比較詳細的討論。

 

      二、RS485通訊保護方案（相關閱讀：高分子PTC熱敏電阻的存貯期多長？）

 

      A.原理圖

 

 

      RS485防雷保護設計圖

 

      以上為RS485總線的兩級防護原理圖。當雷擊發(fā)生時，感應過電壓通過傳輸線由左端引入，G1~G3組成的GDT做一級防護，此時過電壓被大大削弱到數(shù)百伏左右，整個回路由于GDT的導通呈現(xiàn)較大的電流，導致PPTC立刻動作，將整個回路的電流限制在允許的范圍以內(nèi)；TVS1~TVS2做為二次限壓，使到后端電路的電壓被箝制在8V左右，從而實現(xiàn)對后端電路的保護。

 

      B.保護等級

 

      可通過IEC61000-4-5,4級標準:

      1.2/50us 4KV

      10/700us 6KV

      8/20us 2KA

 

      C.器件選擇

      GDT: ××××

      PPTC: ××××

      TVS: ××××

 

      D.器件選型說明

 

      氣體放電管GDT: 直流擊穿電壓大于線路中的正常工作電壓，放電管允許的通過電流超過或等于設計通過的最大電流即可。（推薦閱讀：是否可以申請免費樣品）

 

      自恢復保險絲PPTC：PPTC的最大額定工作電壓應大于電路正常最大工作電壓。Ih保持電流應大于最大工作電流，It動作電流應小于線路的最大可承受電流。

 

      瞬態(tài)抑制二極管TVS：通用信號傳輸線上TVS的擊穿電壓VBR應高于信號線上傳輸?shù)男盘栯妷?在此前提下, VBR應盡可能選得低一些,較低的VBR可使后端通信芯片得到可靠保護,并且具有較大的通流容量。

 

      四、各種器件的選擇依據(jù)

 

      GDT的選擇首先考慮其耐壓耐流能力。TVS選擇根據(jù)芯片的工作電壓與耐壓決定，一般略高于芯片最高工作電壓。

 

      保險絲可選擇限流效果最好的PPTC，即：可恢復保險絲，可采用出廠阻值1.35~6.5歐姆左右，不動作電流為100~200mA的可恢復保險絲，PPTC由于其特殊的工藝，決定其在回路流過正常的工作電流時，其呈現(xiàn)很低的阻值，可以視為一顆導線。

 

      當回路流過的電流達到正常工作電流的2倍會以上時，其內(nèi)部集聚的熱量導致阻值將迅速跳變呈現(xiàn)數(shù)十K歐姆或更大的阻值，進而限制了整個回路的電流在一個極其小的范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)了對負載的有效保護，當斷開電源，PPTC的因為過流而產(chǎn)生熱量散發(fā)后，又會在大約1分鐘左右自動恢復到出廠的低阻值。

 

      五、過壓防護標準的依據(jù)

 

      IEC61000-4-5，ITU-TK20/K21及國標GB9043均有關于雷擊浪涌抗擾度測試標準。其通信線路的最高測試標準為10/700us,4KV。