PTC在RS485通訊端口中的防雷保護(hù)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(zhǎng)（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(gè)單獨(dú)的總線上實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)以及能夠使用的收發(fā)器品種多等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(duì)通信系統(tǒng)造成遭到嚴(yán)重的毀壞；此外，靜電電磁干擾也嚴(yán)重地影響通信總線的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

 

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

 

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

 

      A.原理圖

 

 

      RS485防雷保護(hù)設(shè)計(jì)圖

 

      以上為RS485總線的兩級(jí)防護(hù)原理圖。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，感應(yīng)過電壓通過傳輸線由左端引入，G1~G3組成的GDT做一級(jí)防護(hù)，此時(shí)過電壓被大大削弱到數(shù)百伏左右，整個(gè)回路由于GDT的導(dǎo)通呈現(xiàn)較大的電流，導(dǎo)致PPTC立刻動(dòng)作，將整個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)后端電路的保護(hù)。

 

      B.保護(hù)等級(jí)

 

      可通過IEC61000-4-5,4級(jí)標(biāo)準(zhǔn):

      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(shè)計(jì)通過的最大電流即可。（推薦閱讀：是否可以申請(qǐng)免費(fèi)樣品）

 

      自恢復(fù)保險(xiǎn)絲PPTC：PPTC的最大額定工作電壓應(yīng)大于電路正常最大工作電壓。Ih保持電流應(yīng)大于最大工作電流，It動(dòng)作電流應(yīng)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(hào)傳輸線上TVS的擊穿電壓VBR應(yīng)高于信號(hào)線上傳輸?shù)男盘?hào)電壓,在此前提下, VBR應(yīng)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(hù),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(xiǎn)絲可選擇限流效果最好的PPTC，即：可恢復(fù)保險(xiǎn)絲，可采用出廠阻值1.35~6.5歐姆左右，不動(dòng)作電流為100~200mA的可恢復(fù)保險(xiǎn)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(shí)，其呈現(xiàn)很低的阻值，可以視為一顆導(dǎo)線。

 

      當(dāng)回路流過的電流達(dá)到正常工作電流的2倍會(huì)以上時(shí)，其內(nèi)部集聚的熱量導(dǎo)致阻值將迅速跳變呈現(xiàn)數(shù)十K歐姆或更大的阻值，進(jìn)而限制了整個(gè)回路的電流在一個(gè)極其小的范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的有效保護(hù)，當(dāng)斷開電源，PPTC的因?yàn)檫^流而產(chǎn)生熱量散發(fā)后，又會(huì)在大約1分鐘左右自動(dòng)恢復(fù)到出廠的低阻值。

 

      五、過壓防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)

 

      IEC61000-4-5，ITU-TK20/K21及國(guó)標(biāo)GB9043均有關(guān)于雷擊浪涌抗擾度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。其通信線路的最高測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為10/700us,4KV。