衛(wèi) 勇
摘要：在采用雙絞線作傳輸線構(gòu)成RS-485總線網(wǎng)絡(luò)中，常因雷電瞬變干擾而損壞器件。本文介紹了一種半導(dǎo)體類氣體防雷管構(gòu)見的兩級防雷電路，實(shí)現(xiàn)對RS485接口的防雷擊和過壓保護(hù)。
關(guān)鍵詞：總線 收發(fā)器 瞬變
隨著數(shù)字通訊技術(shù)的發(fā)展和智能家電的普及，一個(gè)系統(tǒng)往往由多個(gè)需要相互通訊的終端組成。例如，樓宇安全監(jiān)控系統(tǒng)，煤氣表、水電表的自動(dòng)抄表系統(tǒng)、超市的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)等都存在多站、遠(yuǎn)距離通信的問題。在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，由于RS-485總線僅需用一對雙絞線即可實(shí)現(xiàn)多站聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，且設(shè)備簡單、價(jià)格低廉，故在工程項(xiàng)目中獲得廣泛的應(yīng)用。
RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動(dòng)器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出；在接收端，接收器將差分信號轉(zhuǎn)換成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達(dá)200mV的電壓，使傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。根據(jù)RS-485標(biāo)準(zhǔn)，RS-485收發(fā)器的最大傳輸速率為10Mbps ，最大電纜長度為4000英尺，總線上能連接32個(gè)收發(fā)器（Sipex公司的SP485R允許在一條總線上連接400個(gè)收發(fā)器），廣泛適用于遠(yuǎn)距離、多站式、分時(shí)通訊系統(tǒng)。
在構(gòu)成RS-485總線網(wǎng)時(shí)，采用雙絞線作傳輸線，傳輸線一般在室外架空或沿電纜溝敷設(shè),所以，在雷雨季節(jié)常發(fā)生因雷電在傳輸線上引起的瞬變干擾而損壞器件，再者由于RS-485的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，即通常采用一條總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)，因此，雷電的引發(fā)的瞬變往往導(dǎo)致傳輸線上的多個(gè)RS-485收發(fā)器損壞，故防雷措施是RS-485技術(shù)實(shí)際使用中必須考慮的問題，也是提高系統(tǒng)可靠性一個(gè)十分重要的措施。
RS-485接收器差分輸入端對“地”的共模電壓允許-7～+12V，超過此范圍的過壓瞬變就可能損壞器件，引起過壓瞬變的來源通常是雷電、靜電放電、電源系統(tǒng)開關(guān)干擾等，例如人體接觸芯片的引腳而產(chǎn)生靜電放電，其電壓可以高達(dá)數(shù)十千伏，可使在工作中的器件產(chǎn)生閉鎖而不能運(yùn)行或使器件受損；而感應(yīng)雷在RS-485傳輸線上引起的瞬變干擾，其能量更可在瞬間燒毀聯(lián)結(jié)傳輸線上的全部器件！
目前市場上已經(jīng)有一些RS485芯片，通過在內(nèi)部集成TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR,瞬變電壓抑制二極管）的辦法防過壓瞬變。TVS的作用原理是當(dāng)管子兩端經(jīng)受瞬態(tài)能量沖擊時(shí)，能極快地將其兩端的阻抗降低，通過將能量吸收掉從而把其兩端間的電壓箝制在其標(biāo)稱值上，保護(hù)后端的元件。受半導(dǎo)體工藝限制，集成到RS-485芯片上的TVS很難做到大功率，在雷擊到來時(shí)，瞬態(tài)能量可以損壞內(nèi)置的TVS；同時(shí)，瞬態(tài)電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場會使近距離的其他電路上感應(yīng)出高電壓，即形成所謂的反擊，造成電路損壞。RS485芯片上集成TVS的主要功能是為了消除靜電（不少廠商的規(guī)格書上已有詳細(xì)介紹），而無法防雷擊浪涌。
通訊線路的雷擊模擬測試，現(xiàn)普遍采用的是國際電聯(lián)ITU-T K20（局端使用）和ITU-T K21（用戶端使用）標(biāo)準(zhǔn)，測試方法為10/700uS;1KV和10/700uS;4KV，正反向各打5次。現(xiàn)有用戶在測試時(shí)使用國際電工IEC61000-4-5 LEVEL4的 1.2/50;2KV標(biāo)準(zhǔn)，該測試方法一般用來考核電源類端口，但完全不適用于通訊線路的雷擊模擬測試標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)證明，能通過該條件的內(nèi)置了TVS的RS485芯片在使用10/700uS;1KV條件進(jìn)行測試時(shí)，第一次模擬雷擊后就已經(jīng)失效！GB 3482-83《電子設(shè)備雷擊試驗(yàn)方法》和GB 3483-83《電子設(shè)備雷擊試驗(yàn)導(dǎo)則》中均有相應(yīng)的規(guī)定，對RS485通訊接口而言，應(yīng)按與電纜相連的電子設(shè)備來考慮，應(yīng)該選用10/700uS;4KV標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行雷擊模擬測試。
對于通訊線路的來說，合理防護(hù)的基礎(chǔ)是正確選用器件。傳統(tǒng)的氣體或陶瓷放電管雖然耐流量大，但是其反應(yīng)速度慢，箝位電壓高（約為800V左右）。而壓敏電阻的吸收性能較差，寄生電容大，且低電壓的壓敏電阻漏流大，也不適合用于RS485接口保護(hù)。半導(dǎo)體類的防雷過壓器件（Sidactor和TVS）雖然反應(yīng)速度極快，但如前所述其耐受能量不足，難以獨(dú)立承擔(dān)整個(gè)線路的保護(hù)。目前，檳城電子的TED-485半導(dǎo)體類氣體防雷管具有反應(yīng)速度快，寄生電容小（<1pF），浪涌耐量大（>300A@10/700uS）等特性，特別適合用于RS485接口的初級防護(hù)。
我們的建議是使用TED-485防雷管為基礎(chǔ)，構(gòu)建初級和次級的兩級防雷電路，可以實(shí)現(xiàn)對RS485接口的整體防雷擊和過壓保護(hù)。
圖中Q1/Q2/Q3為TED-485防雷管，分別提供線線間和線地間的防雷擊過壓保護(hù)，TED-485防雷管的快速反應(yīng)特性使雷擊過電壓被迅速泄放，而浪涌吸收能量大的特性可以保證泄放過程中防雷管自身不被損壞。泄放過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)大電流會在電路中感應(yīng)出一個(gè)尖峰電壓，此電壓幅值隨電路和器件選擇而有所不同，約在數(shù)十付到數(shù)百伏之間，寬度在數(shù)十納秒到數(shù)百納秒，由于脈寬窄，所以能量不大。次級保護(hù)使用的是TVS管，其作用就是將以上所述的尖峰電壓吸收掉，可靠地箝位在安全電壓范圍內(nèi)。圖中的R1/R2可以選用小型線繞電阻或小型有機(jī)實(shí)心電阻，它可以承受很大的瞬態(tài)功率，其作用是為電路提供隔離。
可以看到，10/700uS;4KV的雷擊模擬信號經(jīng)過保護(hù)電路后電壓增量為8V，已經(jīng)被限制在+12V、-7V的RS485可承受的安全范圍內(nèi)。
以上電路同時(shí)具有了±8KV空氣靜電放電和±4KV接觸靜電放電防護(hù)；在快速脈沖群（EFT）的防護(hù)方面，信號線端已通過1KV的測試，另外在沒有加電源保護(hù)的情況下已通過2KV的電源端測試。如果將電路中的R1/R2換成耐壓和阻值合適的PTC，則可具過流保護(hù)功能。至此，該電路在防雷擊過壓的基礎(chǔ)上形成了對RS485的整體防護(hù)。
該雷擊保護(hù)電路構(gòu)成簡便，可添加到用戶新設(shè)計(jì)電路中或使用獨(dú)立模塊，已經(jīng)通過權(quán)威檢測部門檢驗(yàn)，且已成功應(yīng)用于遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表等需要使用RS485的系統(tǒng)中。網(wǎng)時(shí)，采用雙絞線作傳輸線，傳輸線一般在室外架空或沿電纜溝敷設(shè),所以，在雷雨季節(jié)常發(fā)生因雷電在傳輸線上引起的瞬變干擾而損壞器件，再者由于RS-485的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，即通常采用一條總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)，因此，雷電的引發(fā)的瞬變往往導(dǎo)致傳輸線上的多個(gè)RS-485收發(fā)器損壞，故防雷措施是RS-485技術(shù)實(shí)際使用中必須考慮的問題，也是提高系統(tǒng)可靠性一個(gè)十分重要的措施。
