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作為目前行業內最為最常用的串行差分通訊方式之一，采用平衡發送，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多節點以及能夠使用的收發器品種多等優點，已經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成為RS485通信總線在實際工程經常遇到的問題，RS485收發器的工作電壓較低，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收發器，對通信系統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據傳輸質量。

 

      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百伏左右，整個回路由于GDT的導通呈現較大的電流，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；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的信號電壓,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

 

      GDT的選擇首先考慮其耐壓耐流能力。TVS選擇根據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，其內部集聚的熱量導致阻值將迅速跳變呈現數十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，從而實現了對負載的有效保護，當斷開電源，PPTC的因為過流而產生熱量散發后，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

 

      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。