衛 勇
摘要：在采用雙絞線作傳輸線構成RS-485總線網絡中，常因雷電瞬變干擾而損壞器件。本文介紹了一種半導體類氣體防雷管構見的兩級防雷電路，實現對RS485接口的防雷擊和過壓保護。
關鍵詞：總線 收發器 瞬變
隨著數字通訊技術的發展和智能家電的普及，一個系統往往由多個需要相互通訊的終端組成。例如，樓宇安全監控系統，煤氣表、水電表的自動抄表系統、超市的自動收費系統等都存在多站、遠距離通信的問題。在要求通信距離為幾十米到上千米時，由于RS-485總線僅需用一對雙絞線即可實現多站聯網構成分布式系統，且設備簡單、價格低廉，故在工程項目中獲得廣泛的應用。
RS-485收發器采用平衡發送和差分接收，即在發送端，驅動器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出；在接收端，接收器將差分信號轉換成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達200mV的電壓，使傳輸信號能在千米以外得到恢復。根據RS-485標準，RS-485收發器的最大傳輸速率為10Mbps ，最大電纜長度為4000英尺，總線上能連接32個收發器（Sipex公司的SP485R允許在一條總線上連接400個收發器），廣泛適用于遠距離、多站式、分時通訊系統。
在構成RS-485總線網時，采用雙絞線作傳輸線，傳輸線一般在室外架空或沿電纜溝敷設,所以，在雷雨季節常發生因雷電在傳輸線上引起的瞬變干擾而損壞器件，再者由于RS-485的網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，即通常采用一條總線將各個節點串接起來，不支持環形或星型網絡，因此，雷電的引發的瞬變往往導致傳輸線上的多個RS-485收發器損壞，故防雷措施是RS-485技術實際使用中必須考慮的問題，也是提高系統可靠性一個十分重要的措施。
RS-485接收器差分輸入端對“地”的共模電壓允許-7～+12V，超過此范圍的過壓瞬變就可能損壞器件，引起過壓瞬變的來源通常是雷電、靜電放電、電源系統開關干擾等，例如人體接觸芯片的引腳而產生靜電放電，其電壓可以高達數十千伏，可使在工作中的器件產生閉鎖而不能運行或使器件受損；而感應雷在RS-485傳輸線上引起的瞬變干擾，其能量更可在瞬間燒毀聯結傳輸線上的全部器件！
目前市場上已經有一些RS485芯片，通過在內部集成TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR,瞬變電壓抑制二極管）的辦法防過壓瞬變。TVS的作用原理是當管子兩端經受瞬態能量沖擊時，能極快地將其兩端的阻抗降低，通過將能量吸收掉從而把其兩端間的電壓箝制在其標稱值上，保護后端的元件。受半導體工藝限制，集成到RS-485芯片上的TVS很難做到大功率，在雷擊到來時，瞬態能量可以損壞內置的TVS；同時，瞬態電流產生的強磁場會使近距離的其他電路上感應出高電壓，即形成所謂的反擊，造成電路損壞。RS485芯片上集成TVS的主要功能是為了消除靜電（不少廠商的規格書上已有詳細介紹），而無法防雷擊浪涌。
通訊線路的雷擊模擬測試，現普遍采用的是國際電聯ITU-T K20（局端使用）和ITU-T K21（用戶端使用）標準，測試方法為10/700uS;1KV和10/700uS;4KV，正反向各打5次。現有用戶在測試時使用國際電工IEC61000-4-5 LEVEL4的 1.2/50;2KV標準，該測試方法一般用來考核電源類端口，但完全不適用于通訊線路的雷擊模擬測試標準。實驗證明，能通過該條件的內置了TVS的RS485芯片在使用10/700uS;1KV條件進行測試時，第一次模擬雷擊后就已經失效！GB 3482-83《電子設備雷擊試驗方法》和GB 3483-83《電子設備雷擊試驗導則》中均有相應的規定，對RS485通訊接口而言，應按與電纜相連的電子設備來考慮，應該選用10/700uS;4KV標準來執行雷擊模擬測試。
對于通訊線路的來說，合理防護的基礎是正確選用器件。傳統的氣體或陶瓷放電管雖然耐流量大，但是其反應速度慢，箝位電壓高（約為800V左右）。而壓敏電阻的吸收性能較差，寄生電容大，且低電壓的壓敏電阻漏流大，也不適合用于RS485接口保護。半導體類的防雷過壓器件（Sidactor和TVS）雖然反應速度極快，但如前所述其耐受能量不足，難以獨立承擔整個線路的保護。目前，檳城電子的TED-485半導體類氣體防雷管具有反應速度快，寄生電容小（<1pF），浪涌耐量大（>300A@10/700uS）等特性，特別適合用于RS485接口的初級防護。
我們的建議是使用TED-485防雷管為基礎，構建初級和次級的兩級防雷電路，可以實現對RS485接口的整體防雷擊和過壓保護。
圖中Q1/Q2/Q3為TED-485防雷管，分別提供線線間和線地間的防雷擊過壓保護，TED-485防雷管的快速反應特性使雷擊過電壓被迅速泄放，而浪涌吸收能量大的特性可以保證泄放過程中防雷管自身不被損壞。泄放過程中產生的瞬態大電流會在電路中感應出一個尖峰電壓，此電壓幅值隨電路和器件選擇而有所不同，約在數十付到數百伏之間，寬度在數十納秒到數百納秒，由于脈寬窄，所以能量不大。次級保護使用的是TVS管，其作用就是將以上所述的尖峰電壓吸收掉，可靠地箝位在安全電壓范圍內。圖中的R1/R2可以選用小型線繞電阻或小型有機實心電阻，它可以承受很大的瞬態功率，其作用是為電路提供隔離。
可以看到，10/700uS;4KV的雷擊模擬信號經過保護電路后電壓增量為8V，已經被限制在+12V、-7V的RS485可承受的安全范圍內。
以上電路同時具有了±8KV空氣靜電放電和±4KV接觸靜電放電防護；在快速脈沖群（EFT）的防護方面，信號線端已通過1KV的測試，另外在沒有加電源保護的情況下已通過2KV的電源端測試。如果將電路中的R1/R2換成耐壓和阻值合適的PTC，則可具過流保護功能。至此，該電路在防雷擊過壓的基礎上形成了對RS485的整體防護。
該雷擊保護電路構成簡便，可添加到用戶新設計電路中或使用獨立模塊，已經通過權威檢測部門檢驗，且已成功應用于遠程自動抄表等需要使用RS485的系統中。網時，采用雙絞線作傳輸線，傳輸線一般在室外架空或沿電纜溝敷設,所以，在雷雨季節常發生因雷電在傳輸線上引起的瞬變干擾而損壞器件，再者由于RS-485的網絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結構，即通常采用一條總線將各個節點串接起來，不支持環形或星型網絡，因此，雷電的引發的瞬變往往導致傳輸線上的多個RS-485收發器損壞，故防雷措施是RS-485技術實際使用中必須考慮的問題，也是提高系統可靠性一個十分重要的措施。
