RS485數據總線雷擊過壓防護

1． RS485總線的應用領域

工業控制，DCS，數據采集系統

高速公路收費系統

過程控制及制造

電力系統采集與控制系統

遠程終端互連


2． 雷擊過壓防護的必要性

由于RS485總線實行長距離傳輸(1200米以上)，而且其傳輸線通常暴露于戶外，因此極易因為雷擊等原因引入過電壓。而RS485收發器工作電壓較低（5V左右），其本身耐壓也非常低（-7V~+12V），一旦過壓引入，就會擊穿損壞。在有強烈的浪涌能量出現時，甚至可以看到收發器爆裂，線路板焦糊的現象。


3． 防護方法及原理






以上為RS485總線的兩級防護電路圖。當雷擊發生時，感應過電壓由T與R端引入，G1.G2進行共模防護，G3進行差模保護，此時過電壓被大大削弱到約500V左右，在經過電阻R1R2限流，TVS1/2/3二次限壓后，到收發器的電壓被鉗制在6.8V左右，從而實現對收發器的保護。

型 號（G1/G2/G3） 直流開啟電壓Vs(100V/S) 絕緣電阻Ir(DC100V) 靜電電容（1KHZ） 通流能量（10/700us）

GS41-181N 120V~240V ≥100MΩ ≤2PF 4KV/500A



4． 方案選擇與對比

G1/G2/G3 R1/R2 TVS1/2/3 比較

方案一 GS41-181N 10Ω/1W P6KE6.8CA 體積小/防護中/成本低

方案二 3R090 10Ω/1W P6KE6.8CA 體積大/防護高/成本高

方案三 P0640 10Ω/1W P6KE6.8CA 體積小/防護低/成本中


5． 知識問答


問：各種器件的選擇依據是什么？

答：G1G2G3的選擇首先考慮其耐壓耐流能力。如GS41-181N能承受10/700us，4KV雷擊測試；90V陶瓷管（3R090）可承受10/700us，8KV雷擊測試；64V固體管（P0640）只能承受10/700us，3KV雷擊測試。R1R2可選擇限流效果最好的高成本PTC電阻，也可以選擇低成本線繞電阻。經過實際測試，該方案中的線繞電阻選擇10Ω/1W，價格低廉，效果不錯；PTC則可采用10歐左右，200~300mA,耐壓600V的陶瓷或高分子熱敏電阻。TVS1/2/3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。


問：過壓防護標準的依據是什么？

答：IEC61000-4-5，ITU-T K20/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。10/700us為通信線路中感應出的雷電壓波形，表示從零值上升至峰值為時間為10us，下降至峰值的一半為700us。


問：雷擊過壓防護的接地要求？

答：雷擊浪涌防護除了需要選擇優質的防護器件，進行良好的電路板設計，接地也是其最重要的要求。一般防雷地都必要可靠的連接至大地，且接地電阻不能超過10歐。可靠的接地可以大大提高防護效果，而不良的接地也會大大消弱防護效果。


問：為了降低成本及體積，可不可以只采用一級防護？

答：不行。能承受大能量雷擊的器件（如RS485）不可能一次將雷擊電壓鉗制到芯片可以承受的水平。TVS雖然可以將雷擊電壓一次鉗制到芯片可以承受的水平，但是不能承受大的雷擊能量，因此必須兩級防護。


問：RS232，RS422的防護與RS485有何區別？

答：防護方法完全相同。只是根據其工作電壓的不同，精細保護器件TVS的電壓參數應選擇不同。如RS232最大工作電壓為15V，則TVS選擇為P6KE18CA（18V），RS422最大工作電壓為12V，則TVS選擇為P6KE15CA（15V）。

問：RS232，RS422，RS485的區別
1、RS-232-C
RS-232-C是美國電子工業協會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數。RS-232-C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道。

在多數情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現，如一條發送線、一條接收線及一條地線。
RS-232-C標準規定的數據傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。
RS-232-C標準規定，驅動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內的通信。
2、RS-485
RS-485總線,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
RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。
RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由使能信號加以控制。
RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485 可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。
3、RS-422
RS422總線,RS485和RS422電路原理基本相同，都是以差動方式發送和接受，不需要數字地線。
差動工作是同速率條件下傳輸距離遠的根本原因，這正是二者與RS232的根本區別，因為RS232是單端輸入輸出，雙工工作時至少需要數字地線 。發送線和接受線三條線（異步傳輸），還可以加其它控制線完成同步等功能。
RS422通過兩對雙絞線可以全雙工工作收發互不影響，而RS485只能半雙工工作，發收不能同時進行，但它只需要一對雙絞線。
RS422和RS485在19kpbs下能傳輸1200米。用新型收發器線路上可連接臺設備。
　

SPD的響應時間——電涌保護器應用中的幾個問題的探討
作者: www.tj-spd.cn 時間: 2008-05-25

摘要：探討了電涌保護器（SPD）應用中的4個頗有爭議的問題，這就是SPD的響應時間、多級SPD的動作順序、不同波形沖擊電流的等效變換以及SPD的殘壓與沖擊電流峰值的關系。最后說明了SPD應用中各電壓之間的相互關系。
關鍵詞：電涌保護器、響應時間、沖擊電流、防雷保護

一、前言

電涌保護器(SPD)是抑制由雷電、電氣系統操作或靜電等所產生的沖擊電壓，保護電子信息技術產品必不可少的器件。隨著各種電子信息技術產品越來越多地滲入到社會和家庭生活的各個領域，SPD的使用范圍日益擴大，市場需求量日
益增長。 總的來說，電子信息技術產品的過電壓保護還是一個新的技術領域，兩相關于SPD的國際標準IEC61643-1和IEC61643-21發表才幾年，有關SPD應用中的許多問題還存在著爭議，本文就其中的4個問題提出筆者個人的看法，以期引 起討論。它們是：SPD的響應時間，多級SPD的動作順序，不同波形沖擊電流的等效變換以及SPD的殘壓與沖擊電流峰值的關系。最后對SPD應用中各個電壓之間的相互關系作了說明。

二、SPD的響應時間

不少人錯誤地認為，響應時間是衡量SPD保護性能的一個重要指標，制造廠也在其技術資料中列明了這一參數，但許多制造廠并不知道它的確切含義， 也未進行過測量。一個流行的觀點是，在響應時間內，SPD對入侵的沖擊無抑制作用，沖擊電壓是"原樣透過"SPD而作用在下級的設備上。這不符合SPD的是工作情況，是錯誤的。

SPD中對沖擊過電壓起抑制作用的非線性元件，按其工作機理可區分為" 限壓型"（如壓敏電阻器、穩壓二極管）和"開關型"（如氣體放電管、可控硅）。 氧化鋅壓敏電阻器是一種化合物半導體器件，其中的電流對于加在它上面的電壓的響應本質上是很快的。

那么，以前的技術資料中所說的用壓敏電阻構成的SPD響應時間r≤25ns 是怎么回事呢？ 這是技術標準IEEEC62.33-1982[2]中定義的響應時間，它是一個用來表征" 過沖"特性的物理量，與通常意義上的響應時間是完全不同的另外一個概念。為了 說明這一點。IEEEC62.3(6.3)電壓過沖（UOS）。在沖擊電流波前很陡、數值又很大時，測量帶引線壓敏電阻的限制電壓的結果表明，它大于以8/20標準波時的限制電壓。這種電壓增量UOS稱作"過沖"。盡管壓敏電阻材料本身對陡沖擊的響應時間有所不同，但差別不大。造成過沖的主要原因是在器件的載流引線周圍建立起了磁場，該此磁場在器件引線和被保護線路之間的環路中，或者在引線與模擬被保護線路的測量電路之間的環路感應出電壓。

在典型的使用情況下，一定的引線長度是不可避免的，這種附加電壓將加在壓敏電阻器后面的被保護線路上，所以在沖擊波波前很陡而數值又很大的條件下測量限制電壓時，必須認識到電壓過沖對于引線長度和環路耦合的依賴關系，而不能把過沖作為器件內在的特性來看待。

近幾年來發表的國際電工委員會關于SPD的技術標準IEC61643-1和IEC6163-21都沒有引入響應時間這一參數：IEEE技術標準C62.62-2000[]更明確指出，波前響應的技術要求對SPD的典型應用而言是沒有必要的，可能引起技術要求上的誤導，因此如無特別要求，不規定該技術要求，也不進行試驗、測量、計算或其他認證。這是因為：

（1） 對于沖擊保護這一目的而言，在規定條件下測得的限制電壓，才是十分重要的特性。

（2） SPD對波前的響應特性不僅與SPD的內部電抗以及對沖擊電壓起限制作用的非線性元件的導電機理有關，還與侵入沖擊波的上升速率和沖擊源阻抗有關，連接線的長短和接線方式也有重要影響。


筆者認為，對于電源保護用SPD，以下三項技術指標是重要的：①限制電壓（保護電平）；②通流能力（沖擊電流穩定性）；③3連續工作電壓壽命。

那么，以前的技術資料中所說的用壓敏電阻構成的SPD響應時間r≤25ns是怎么回事呢？這是技術標準IEEEC62.33-1982[2]中定義的響應時間，它是一個用來表征“過沖”特性的物理量，與通常意義上的響應時間是完全不同的另外一個概念。為了說明這一點，下面將IEEEC62.33-1982第6.3條款引述如下（見圖2）。IEEEC62.3(6.3)電壓過沖（UOS）。在沖擊電流波前很陡、數值又很大時，測量帶引線壓敏電阻的限制電壓的結果表明，它大于以8/20標準波時的限制電壓（圖2的Uc）。這種電壓增量UOS稱作“過沖”。盡管壓敏電阻材料本身對陡沖擊的響應時間有所不同，但差別不大。造成過沖的主要原因是在器件的載流引線周圍建立起了磁場，該此磁場在器件引線和被保護線路之間的環路中，或者在引線與模擬被保護線路的測量電路之間的環路感應出電壓。在典型的使用情況下，一定的引線長度是不可避免的，這種附加電壓將加在壓敏電阻器后面的被保護線路上，所以在沖擊波波前很陡而數值又很大的條件下測量限制電壓時，必須認識到電壓過沖對于引線長度和環路耦合的依賴關系，而不能把過沖作為器件內在的特性來看待。近幾年來發表的國際電工委員會關于SPD的技術標準IEC61643-1和IEC6163-21都沒有引入響應時間這一參數：IEEE技術標準C62.62-2000[]更明確指出，波前響應的技術要求對SPD的典型應用而言是沒有必要的，可能引起技術要求上的誤導，因此如無特別要求，不規定該技術要求，也不進行試驗、測量、計算或其他認證。


這是因為：（1）對于沖擊保護這一目的而言，在規定條件下測得的限制電壓，才是十分重要的特性。（2）SPD對波前的響應特性不僅與SPD的內部電抗以及對沖擊電壓起限制作用的非線性元件的導電機理有關，還與侵入沖擊波的上升速率和沖擊源阻抗有關，連接線的長短和接線方式也有重要影響。筆者認為，對于電源保護用SPD，以下三項技術指標是重要的：①限制電壓（保護電平）；②通流能力（沖擊電流穩定性）；③3連續工作電壓壽命。