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工业级DTU无线数传电台 RS485/RS232端口保护设计

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一、RS232端口的保护

1、设计理念

 RS232口是在通讯当中经常使用的端口,一般进行数据的传输距离不能超过15米,而且常常是带电进行插拔操作,这样多次操作金辉引起端口接收到一个过电压和过电流的冲击,造成芯片、设备的损坏,以至于生产成本的,生产周期的增加。RS232端口的保护是必须的 。

2、输出电压

 RS232的接口芯片输出电压一般为±9V,不会超过±12V。因此对接口收发信号线可采用双向瞬态抑制二极管BS0150MS,使用一个100欧姆的电阻来作限流电阻,如图所示,为了保证电阻不被烧毁应该选择电阻的功率在1/4W以上。

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二、RS485接口保护电路

1、雷击过压防护的必要性:

 RS485总线能够实现1200米以上的远距离传输,在实际使用中线路通常都是在室外,一次在雷雨天气容易引起电压过大,以至于芯片的烧毁。通常RS485芯片的工作电压在5V左右,芯片的耐压值在-7~+12V,如果过压被引入,芯片就会被击穿而导致损坏。如果有强烈的浪涌能量出现时,有可能会导致器件的爆裂,PCB电路板被烧毁。

2、防护方法及原理图:

 如图所示是RS485端口的两级防护电路图。当器件被雷击时,引起的过电压就会由两端引入到电路中,那么我们的GDT就是做一级的保护,此时过电压就会被消减到你几百伏左右,再经过PPTC限浪,TVS就是二次限压保护,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/ TVS3做共模保护,TVS1做差模保护。

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3、防护的标准

 我们有一个过压防护的标准:IEC6100-4-5,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10/700μS,4KV。10/700μS为通信线路中感应出的雷电压波形,表示从零值上升至峰为时间为10ms , 下降至峰值的一半为700μS。

 雷击浪涌的防护首先要使用一个比较优质的防护元件,PCB电路板的设计要合理,最重要的一个接地。经常都是要求直接使用一个10欧姆左右的电阻直接接入大地。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削弱防护效果。

我们不能为了降低成本及体积,只采用一级防护。因为能承受大能量雷击的器件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在承受的水平,但是不能承受大的雷击能量,因此必须两级防护。

三、RS232/RS422与RS485防护的区别

 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。如RS232最大工作电压为15V,则TVS选择为P6KE18CA或贴片SMBJ15CA,RS422最大工作电压为12V,则TVS选择为P6KE15CA或贴片SMBJ12CA

 485接口损坏的主要原因是由于瞬态过电压和静电造成,产生瞬态过电压和静电的原因很多也较复杂,所以EIA-485标准要求将各个RS485接口的信号地用一条低阻值导线连接在一起以保证各节点的地电位相等,消除地线环流。

 当带电插拔未隔离的连接电缆时,由于两端电位不相等电路中又存在诸多电感、电容之类的器件,插拔瞬间必然产生瞬态过电压或过电流。

 连接在RS485总线上的其它设备产生的瞬态过电压或过电流同样会流入,总线上连接的设备站点数越多,产生瞬态过电压的因素也越多。

四、电压过大时解决方法

 当通信线路较长或室外架空线时,雷电必然会在线路上造成过电压,其能量往往是巨大的。解决办法:

 1.应将瞬态抑制二极管靠近接口,限流(匹配)电阻靠近芯片。

 2.选用带静电保护、过热保护、输入失效保护等保护措施完善的高挡次RS485芯片。

 3.采用响应速度更快、承受瞬态功率更大的新型保护器件TVS或陶瓷浪涌吸收器,如LT-BS0080MS的 ,2KV 10/700uS,宽频优化保护器LT-B3D420L则可抗击5KA以上大电流冲击。


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