摘 要：針對系統(tǒng)中RS485接口對過電壓極其敏感、耐受電壓水平低、容易受到雷電電磁脈沖以及操作過電壓等電磁干擾，該文提出了一種RS485接口特定的浪涌防護的方案，結合RS485接口信號的傳輸特點和理論分析，初步設計出浪涌保護器件，再通過試驗測試的方法來確定出最合適的浪涌電路元件參數，以達到不影響信號正常傳輸的前提下，抑制線路過電壓的功能。

關鍵詞：RS485接口 電涌保護器 兩級保護 退偶電阻

中圖分類號：T M863 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（a）-00-03

人類社會步入信息化以來，電子信息設備和計算機等通訊系統(tǒng)已深入各個領域，給人們生活帶來了極大地方便。隨著便利化、微型化和高度集成化的同時，由于構成這類弱電設備的內部的微電子器件、計算機芯片等集成化程度不斷的提高，難免會出現(xiàn)對過電壓極其敏感，極易受到多種電磁干擾而不利于信息正常傳輸的現(xiàn)象，給設備安全可靠性帶來了隱患，造成不可估計的損失[1-3]。

在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線標準。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復[4-5]。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。因為RS-485接口抗雷電過電壓干擾能力較差，因此設計特定浪涌保護器對其進行保護，盡量減小因遭受雷電等沖擊過電壓的干擾、損壞造成的損失，已成為接口設備可靠性工作中必不可少的環(huán)節(jié)。

1 設計思路

1.1 浪涌電路設計

國內外很多研究表明：入侵信息系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓波大多是雷電在感應而產生的，其幅值一般在10 kV以內。為了完整地保護后級電子設備，一般設計兩級保護電路，第一級采用GDT（氣體放電管）對暫態(tài)過電壓波大部分能量進行泄流，第二級使用后級TVS（瞬態(tài)抑制二極管）將過電壓箝位在一個較低的水平，保證其殘壓不超過所保護設備的耐受電壓。但是實際上由于GDT與TVS的性能差異很大，在放電響應時間方面，GDT一般放電響應時間為μs級，而TVS的響應時間為ns級。兩者的放電時間相差很大，如果不增加輔助原件，那么必定是TVS先導通，而TVS管的通流量很小，無法完成泄放而被擊穿，最終導致攔截雷電失效。為了實現(xiàn)兩級間的能量配合，使GDT在暫態(tài)過電壓波到達TVS之前提前導通泄流，需要在兩級保護器件級之間加裝退耦電阻[6]。退耦電阻阻值還要兼顧到對信號線路正常通信造成的影響，一般的原則是在保證SPD保護效果的前提下，盡量減小因加入退耦電阻而對信號線路正常通信造成的影響。如果第二級僅僅采用TVS管，其分布電容值很大，對于高頻的信號而言，線路中存在較大的分布電容，對信號正常傳輸的很不利，因此需要在保護電路中加裝整流橋，以減小對信號傳輸的影響（如圖1所示）。

圖1 RS485浪涌保護電路設計原理圖

1.2 浪涌電路元器件參數選擇

上述設計出了RS-485接口的保護電路，但是并未涉及到元器件的參數選取，下文針對RS-485的電路傳輸特點，從理論上計算和分析出電路上主要元器件的參數值。第一級采用氣體放電管，啟動電壓是GDT最重要參數之一，其數值的選取涉及到以下兩個方面制約，其一是為了SPD能夠長期可靠的運行，SPD除了要能承受標稱電壓 Uo，還要能承受信號網絡中的一些正常的電壓波動；另一方面為了確保器件的安全，其限值電壓必須限值在設備的耐受電壓值以內[7-8]。因為出現(xiàn)過電壓的幾率是遠遠小于信息正常傳輸的時間，因此我們選取的原則是保證不影響信號的正常傳輸的前提下，保證殘壓限值在耐受電壓范圍內。GDT的直流起弧電壓應滿足式（1）：

， （1）

（上式中的 Uoc為直流起弧電壓，min（Uoc）為直流放電電壓的下限值，Uc為線路正常運行電壓，1.15系數是考慮到系統(tǒng)運行電壓可能出現(xiàn)的最大允許波動為15%，同樣系數25%系數是在線路運行電壓波動的基礎上在追加25%的安全欲度）。結合前述RS485的傳輸電性能以及設備耐壓因素等特點，最終選擇GDT型號為3RM090-8（直流放電電壓90 V）。第二級采用瞬態(tài)抑制二極管TVS，使其殘壓限制在一個較低范圍以內。通常信號傳輸線上TVS的擊穿電壓（VBR應高于信號線上傳輸的信號電壓），在此前提下，VBR應盡可能選得低一些。綜上所述選用TVS 管型號 P6KE18A。理論上退耦元件有兩種選擇，退耦電阻或者退耦電感。退耦電阻適用于傳輸信號頻率比較高的模擬信號，傳輸速率比較高的數字信號，退耦電感適用于低壓電源系統(tǒng)。因此這里選擇退耦電阻作為退耦元件[9-10]。在不影響信號傳輸的前提下，退耦電阻的阻值越大越好，因為增大電阻可以提高提高充氣放電管跟 TVS 管的匹配效率但退耦電阻也不能過大理論上利用公式R=（Us-Uc）/Is，（其中Us是線路上可能出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓幅值，由于線路上的暫態(tài)過電壓幅值難以預料，所以一般用充氣放電管的沖擊啟動電壓代替），本試驗中選用的氣體放電管規(guī)格是直流90 V的，沖擊電壓300 V，最終計算得到 R=5.76 Ω。另一方面為了避免引入過大的插入損耗，理論上通常選取阻值為0 Ω、1 Ω、2.2 Ω、4.7 Ω、6 Ω來作為信號類浪涌保護的退偶原件。顯然優(yōu)選值中沒有5.76 Ω，因此下文我們將結合試驗選取一個合適的阻值。為了驗證加入整流橋后的效果，試驗中我們選取了型號為2W08的整流橋，進行了有無兩種情況下的對比。

2 實驗數據分析

為了驗證上述設計的浪涌保護電路能否達到預期的效果，我們根據GB/T18802.21-2004 相關章節(jié)內容對所設計RS485接口信號SPD進行傳輸特性試驗、沖擊限制電壓試驗、沖擊耐受試驗。針對試驗中所得到的數據進行分析，對于實驗中發(fā)現(xiàn)的問題進行探究討論，并且對于設計方中的一些不足之處進行修正分析，進一步提高設計的合理性。

2.1 1.2/50 μs 波形沖擊下測試限值電壓實驗

對于信號SPD限值電壓的測試一般使用1.2/50 μs波形，來確定其啟動電壓。一般先采用0.5 kV，1.2/50 μs電壓波先對線-地之間進行沖擊，即對5、6、7、8分別與地之間進行多次沖擊；再對線間沖擊，即7～8，5～6之間施加沖擊電壓。其次設定該值沖擊試品，進行10次沖擊其中正、負極性各5次，間隔1 min，輸出端測量沖擊電壓下的電壓峰值，記錄電壓值，求其平均，則可確定其電壓保護水平。表1為在0.5 kV、1.2/50 μs電壓波沖擊下各個線地之間的限制電壓。

由表1可以看出：在0.5 kV、1.2/50 μs電壓波沖擊下，限制電壓水平基本上維持在400 V左右波動，通過第一級的泄放，可以將線地之間的殘壓限值在一個較低的水平，其線間的限制電壓維持在 15 V左右，從而保護后級設備能夠正常運行。

2.2 組合波下沖擊耐受測試實驗

通過本試驗測試該試品的線-地之間的殘壓值是否會引起保護設備的絕緣損壞。一般先對線地進行測試，如有需要可對線間測試，對多路輸入輸出SPD，隨機抽取一個回路進行測試，本實驗抽取5號線與地線回路進行測試。然后將標稱耐受能力的8/20 μs沖擊波形施加在 SPD 的輸入端，正負極性各5次，每次沖擊間隔時間為3 min，在輸出端測量殘壓Ures，其值應該小于電壓保護水平 Up。表2是在不同的沖擊電壓下，線地殘壓和通流水平。

表2為不同沖擊電壓下線-地殘壓以及通流容量的關系?？梢钥闯觯弘S著沖擊電壓的增大，線地的殘壓逐漸增大，并且增加的幅度逐漸減小。通流容量也隨著沖擊電壓的增大而增大，并且沖擊電壓和通流的比值接近接近一個定值。由圖2可知，3.5 kV沖擊時的殘壓值64.0 V，此殘壓值不會引起設備對機殼的放電。

圖2 復合波沖擊3.5 kV時殘壓和通流波形圖

2.3 加入整流橋前后靜態(tài)分布電容對比分析

采用TH2818自動元件分析儀，分別對裝有整流橋和未裝整流橋試品的線-間及線-地靜態(tài)分布電容值進行六組測試，測試數據如表3和4所示。

由表3和表4對比可以看出，線間分布電容比未加入陣列時的300pF下降20pF左右，線地之間的分布電容由40pF下降到10pF左右，顯然作用很明顯，同時測試結果均滿足RS485數據接口對靜態(tài)分布電容值的要求。

2.4 退耦原件阻值的選取

為了避免引入過大的插入損耗，通常選取阻值為0Ω、1Ω、2.2Ω、4.7Ω、6Ω來作為信號類浪涌保護的退偶原件?，F(xiàn)選用電壓幅值為1 kV的1.2/50 μs沖擊電壓波分別對上述5種阻值的退偶原件進行線-地間沖擊測試。記錄其限制電壓值、殘壓值。

據表5數據，可以得出五個試品在復合波作用下，限制電壓值基本一致，說明退耦電阻阻值的大小對試品的限制電壓影響不大。而在8/20 μs沖擊電流波作用下，退耦電阻阻值小于1.0 Ω的試品無法得到殘壓值，退耦電阻阻值大于2.2 Ω的試品殘壓值逐漸減小，說明退耦電阻阻值小于1.0 Ω的試品前后兩級之間未能實現(xiàn)能量配合，后級TVS承受了幾乎所有的浪涌流，以致被擊穿。而退耦電阻阻值大于1.0 Ω的試品兩級之間實現(xiàn)能量配合，但隨著退耦電阻阻值增大，殘壓值越來越低，對試品及后續(xù)電子設備的有益。本試品選用網絡信號分析儀對對上述退耦電阻阻值為4 Ω、6 Ω的不同的試品接入系統(tǒng)后造成的插入損耗及近端串擾參數進行測試，實驗數據如圖3，圖4所示。

圖3 不同電阻值下插入損耗衰減的情況圖4 不同電阻值下近端串擾的情況

圖3可以清楚的看出阻值為4 Ω的退偶原件的插入損耗小于阻值為6 Ω的原件，結合前述中測試前后級能量配合情況，應選用4.7 Ω的退偶原件，這樣兼顧傳輸信息的流暢性和過電壓保護的功能。另外，圖4表明阻值為4、6 Ω的退偶原件的近端串擾都符合測試要求。綜合前述的測試結果，最終確定本試驗中選定退偶原件阻值為4.7 Ω。

3 結語

該文針對RS485接口電路的傳輸特點，通過理論計算和實驗驗證了所設計的浪涌電路基本上可以達到預期的效果。同時也給我們提示，通訊接口的不同，所選取元器件的參數有所差異，需要結合具體接口的電氣特性才能設計出合適的浪涌保護電路。

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