原创 RS485总线防雷保护方案

RS485作为最为最常用的电表通讯方式之一。日常生活中雷电和静电干扰已经成为485通信总线在实际工程经常遇到的问题。故如何对芯片以及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，我们主要讨论RS485在电表中的防雷保护及方案。

一.雷击过压防护的必要性

RS-485接口带电拔插和抖动都会引起电压的剧烈变化，都会使芯片损坏，而RS485总线实行长距离传输(1200米以上)，而且其传输线通常暴露于户外，因此极易因为雷击等原因引入过电压。而RS485收发器工作电压较低(5V左右)，其本身耐压也非常低(-7V~+12V)，一旦过压引入，就会击穿损坏。在有强烈的浪涌能量出现时，甚至可以看到收发器爆裂，线路板焦糊的现象。

二.防雷保护器的基本要求

在正常运行时,雷电保护器的接入应不影响信号的正常传输,雷电保护器的对地阻抗应非常大,串连在电路中的阻抗应非常小，在雷电袭击通信总线时, 雷电保护器应发挥良好的电压钳位作用，其钳位电压应低于后端控制芯片或其它电器件的耐受电压水平。在抑制雷电袭击过程中,雷电保护器自身应完好无损，雷电保护器对雷电袭击应具有足够快的响应速度。

三.RS485通讯保护方案

a.原理图

以上为RS485总线的两级防护电路图。当雷击发生时，感应过电压由两端引入，GDT做一级防护，此时过电压被大大削弱到数百伏左右，再经过 PPTC限浪,TVS做二次限压，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。TVS2/3做共模保护，TVS1做差模保护。

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

贴片(SMD):

GDT: 3SPC090F

PPTC: MSM020

TVS: SMBJ10CA

插件(DIP):

GDT: C6M09R

PPTC: K250-120U

TVS: P6KE12CA

d.器件选型说明

陶瓷放电管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。

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。

e.残压波形

6KV 正向

6KV 正向

6KV 反向

6KV 反向

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。如SPA090F的GDT能承受8/20us，4KV雷击测试;SPC和BXL系列GDT的可承受8 /20us，8KV雷击测试;B8M09R系列GDT的能承受8/20us，20KV雷击测试等等。保险丝可选择限流效果最好的PPTC自恢复保险丝， PPTC则可采用0.3-6欧左右， 不动作电流为100~200mA,的自恢复保险丝。TVS1/2/3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。

五.过压防护标准的依据

IEC61000-4-5，ITU-T K20/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。10/700us为通信线路中感应出的雷电压波形，表示波前时间即从30%峰值上升至90%峰值的时间为10us，下降至峰值的一半为700us即半峰值时间。

六.雷击过压防护的接地要求

雷击浪涌防护除了需要选择优质的防护器件，进行良好的电路板设计，接地也是其最重要的要求。一般防雷地都要可靠的连接至大地，且接地电阻不能超过10欧。可靠的接地可以大大提高防护效果，而不良的接地也会大大消弱防护效果。

七.为了降低成本及体积，可不可以只采用一级防护

只采用一级防护，能承受大能量雷击的器件(如GDT)不可能一次将雷击电压钳制到芯片可以承受的水平。TVS虽然可以将雷击电压一次钳制到芯片可以承受的水平，所以要承受大的雷击能量，因此必须两级防护。RS232，RS422的防护与RS485的防护方法完全相同。只是根据其工作电压的不同，精细保护器件TVS的电压参数应选择不同。