PTC在RS485通讯端口中的防雷保护方案

2021-08-19 10:51:15 lipscall

      一、基本背景介绍

 

      RS485作为目前行业内最为最常用的串行差分通讯方式之一，采用平衡发送，差分接收的方式，因此具有抑制共模干扰的能力，由于其具有通讯距离长（1200m以上），传输速率高（10Mbps），高的信噪比，控制方便，成本低，可以在一个单独的总线上实现多节点以及能够使用的收发器品种多等优点，已经越来越得到用户的肯定。

 

      但是伴随着使用频率的增高，其遇到的问题也日益增加。由于RS485通讯传输线通常暴露于户外，日常生活中雷电和静电干扰已经成为RS485通信总线在实际工程经常遇到的问题，RS485收发器的工作电压较低，只有5V，元器件本身的耐压也较低，通常只有－7V～＋12V，因此雷电等引入的过电压通常能够瞬间损坏RS485收发器，对通信系统造成遭到严重的毁坏；此外，静电电磁干扰也严重地影响通信总线的数据传输质量。

 

      故如何对RS485芯片以及传输总线进行有效的保护，是摆在每一个使用者面前的一个问题。在这里，我们将针对RS485通讯中的防雷保护及方案、元器件选型等做一个比较详细的讨论。

 

      二、RS485通讯保护方案（相关阅读：高分子PTC热敏电阻的存贮期多长？）

 

      A.原理图

 

 

      RS485防雷保护设计图

 

      以上为RS485总线的两级防护原理图。当雷击发生时，感应过电压通过传输线由左端引入，G1~G3组成的GDT做一级防护，此时过电压被大大削弱到数百伏左右，整个回路由于GDT的导通呈现较大的电流，导致PPTC立刻动作，将整个回路的电流限制在允许的范围以内；TVS1~TVS2做为二次限压，使到后端电路的电压被箝制在8V左右，从而实现对后端电路的保护。

 

      B.保护等级

 

      可通过IEC61000-4-5,4级标准:

      1.2/50us 4KV

      10/700us 6KV

      8/20us 2KA

 

      C.器件选择

      GDT: ××××

      PPTC: ××××

      TVS: ××××

 

      D.器件选型说明

 

      气体放电管GDT: 直流击穿电压大于线路中的正常工作电压，放电管允许的通过电流超过或等于设计通过的最大电流即可。（推荐阅读：是否可以申请免费样品）

 

      自恢复保险丝PPTC：PPTC的最大额定工作电压应大于电路正常最大工作电压。Ih保持电流应大于最大工作电流，It动作电流应小于线路的最大可承受电流。

 

      瞬态抑制二极管TVS：通用信号传输线上TVS的击穿电压VBR应高于信号线上传输的信号电压,在此前提下, VBR应尽可能选得低一些,较低的VBR可使后端通信芯片得到可靠保护,并且具有较大的通流容量。

 

      四、各种器件的选择依据

 

      GDT的选择首先考虑其耐压耐流能力。TVS选择根据芯片的工作电压与耐压决定，一般略高于芯片最高工作电压。

 

      保险丝可选择限流效果最好的PPTC，即：可恢复保险丝，可采用出厂阻值1.35~6.5欧姆左右，不动作电流为100~200mA的可恢复保险丝，PPTC由于其特殊的工艺，决定其在回路流过正常的工作电流时，其呈现很低的阻值，可以视为一颗导线。

 

      当回路流过的电流达到正常工作电流的2倍会以上时，其内部集聚的热量导致阻值将迅速跳变呈现数十K欧姆或更大的阻值，进而限制了整个回路的电流在一个极其小的范围内，从而实现了对负载的有效保护，当断开电源，PPTC的因为过流而产生热量散发后，又会在大约1分钟左右自动恢复到出厂的低阻值。

 

      五、过压防护标准的依据

 

      IEC61000-4-5，ITU-TK20/K21及国标GB9043均有关于雷击浪涌抗扰度测试标准。其通信线路的最高测试标准为10/700us,4KV。