RS-485 标准具有长距离传输(1200 米以上),最大传输数率可以达到 10Mbps,且高信号噪声印制。同时,RS-485 电路具有控制方便,成本低等优点,多点连接。因此工业与仪器仪表 (I&I) 应用常常需要在距离很远的多个系统之间传输数据。RS-485电气标准是I&I应用中使用最广泛的物理层规范之一,I&I应用包括:工业自动化、过程控制、电机控制和运动控制、远程终端、楼宇自动化(暖通空调HVAC等)、安保系统和再生能源等。。RS-485接口链路需要在恶劣电磁环境下工作。雷击、静电放电和其他电磁现象引起的大瞬变电压,而 RS-485 收发器工作电压较低(5V 左右),其本身耐压也非常低(-7V~+12V),易过压击穿损坏。防雷击保护成为 RS-485 接口设计必须要考虑的。 通常,如图所画,使用 PPTC 和 TVS 作为 RS-485 的防雷击保护,主要瞬变抗扰度标准:静电放电、电快速瞬变和电涌。
一个典型保护方案,其特征是具有两重保护:主保护和次级保护。主保护可将大部分瞬变能量从系统转移开,通常位于系统和环境之间的接口。它旨在将瞬变分流至地,从而消除大部分能量。
次级保护的目的是保护系统各个部件,使其免受主保护允许通过的任何瞬态电压和电流的损坏。它经过优化,确保能够抵御残余瞬变影响,同时允许系统的敏感部分正常工作。主保护和次级保护的设计必须与系统I/O协同工作,从而最大程度地降低对受保护电路的压力,这点很重要。主保护器件与次级保护器件之间一般有一个协调元件,如电阻或非线性过流保护器件等,用以确保二者协同应对瞬变。
就特性而言,EMC瞬态事件在时间上会有变化,因此保护元件必须具有动态性能,而且其动态特性需要与受保护器件的输入/输出极相匹配,这样才能实现成功的EMC设计。了解受保护器件的输入/输出级的动态性能,并且使用保护元件,才能确保电路达到EMC标准。
三种不同的完整的EMC兼容解决方案:
保护方案1
EFT和ESD瞬变具有相似的能量水平,而雷击电涌波形的能量水平则高出三到四个数量级。ESD和EFT的保护方法相似,但针对雷击电涌级别的保护解决方案则更为复杂。第一个解决方案提供四级ESD和EFT保护及二级电涌保护。
SM712的独有特性是具有+13.3 V和–7.5 V的非对称击穿电压,与+12 V至–7 V的收发器共模范围相匹配,
保护方案2
为提高电涌保护级别,保护电路变得更加复杂。此保护方案可以提供最高四级电涌保护。
SM712专门针对RS-485数据端口设计,提供次级保护,而TSS提供主保护。主从保护器件与过流保护之间的协调通过一个主动高速过流保护元件浪涌抑制器完成。
保护方案3
四级以上的电涌保护。此保护方案可保护RS-485端口免受最高6 kV电涌瞬变的影响。此电路采用气体放电管 (GDT) 取代TSS,进而保护次级保护器件TVS。GDT将针对高于前一种保护机制中所述TSS的过压和过流应力提供保护。
案例一:两级保护方案
1)当雷击发生时,感应过电压由 A/B 线引入,经过 PPTC,然后 GDT 作为初级共模防护,通常 GDT 可以承受 10KA(8x20us)浪涌冲击。
2)之后残压已经大大降低到 1KV 以下,然后 TVS 作为二级 保护进行共模/差模保护,到收发器的电压被钳制在 12V 以下,同时,通过 A/B 线上的上拉电压可 以保证 A/B 线上的电压保持在高电平。
3)电阻配合主级,次级来抑制浪涌
通常,对于4KV 以下过电压,可以省去初级保护--GDT。单用 TVS 就能实现浪涌保护的要求。当RS-485总线与电力线 (例如 220VAC)搭接短路时,A/B 线上的 PPTC 可以提供短路保护。 但这种传统方式有问题需要考虑:
1:GDT 浪涌击穿电压较高,这就意味着后面的电阻值比较大。可能会影响传输距离减少
2:TVS 的漏电流较高,以SMBJ6.0CA 来讲大致在 800uA 左右。这样会影响点对点通讯 的可靠性
3:PPTC 的响应速度较慢,因此在电力塔接时,可能会造成 TVS 被交流击穿
因此综上所述,是否有更好的 RS-485 防雷保护方案呢? 这里,我们提出了自己的一种方案来满足更高可靠性的要求。
案例二:Sidactor保护方案
Sidactor 作为半导体器件同样具有响应速度快,可靠性高的优点。但它是 Crowbar 保护模式。其导通以后保持电压低,同时还具有抗浪涌能力强,耐搭接能力强特点。
SIDACtor 双向瞬态过电压保护器。SIDACtor是一种带负阻或正阻特性的新型浪涌吸收器,击穿电压为27~540V,导通电压仅3~4V,可通过的浪涌电流为50~100A。与气体放电管、TVS和MOV等其它类型的瞬态电压保护器比较,SIDACtor具有导通阻抗和开通电压低、响应速度快、电流通量大及可靠性高等特点。因此,它是一种全能的电压保护器件。
SIDACtor工作原理:SIDAC是一种二端半导体器件,其内部结构与双向晶闸管十分相似,但是没有触发门极,是电压自触发器件。SIDAC的工作状态如同一个开关。当电压低于断态峰值电压VDRM时,其漏电流IDRM极小(小于微安量级),为断开状态。当电压超过其击穿电压VBO时,产生瞬间雪崩效应。该雪崩电流一旦超过开关电流IS,即进入雪崩倍增,器件的阻抗骤然减小,电压降为导通电压(V<1.5V)。此时,SIDAC进入导通状态,允许通过大的通态电流(0.7-2安培,RMS值)。当电流降到最小维持电流IH值之下时,SIDAC恢复到其断开状态。
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