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摘 要：针对系统中RS485接口对过电压极其敏感、耐受电压水平低、容易受到雷电电磁脉冲以及操作过电压等电磁干扰，该文提出了一种RS485接口特定的浪涌防护的方案，结合RS485接口信号的传输特点和理论分析，初步设计出浪涌保护器件，再通过试验测试的方法来确定出最合适的浪涌电路元件参数，以达到不影响信号正常传输的前提下，抑制线路过电压的功能。
关键词：RS485接口 电涌保护器 两级保护 退偶电阻
中图分类号：T M863 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（a）-00-03
人类社会步入信息化以来，电子信息设备和计算机等通讯系统已深入各个领域，给人们生活带来了极大地方便。随着便利化、微型化和高度集成化的同时，由于构成这类弱电设备的内部的微电子器件、计算机芯片等集成化程度不断的提高，难免会出现对过电压极其敏感，极易受到多种电磁干扰而不利于信息正常传输的现象，给设备安全可靠性带来了隐患，造成不可估计的损失[1-3]。
在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200 mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复[4-5]。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。因为RS-485接口抗雷电过电压干扰能力较差，因此设计特定浪涌保护器对其进行保护，尽量减小因遭受雷电等冲击过电压的干扰、损坏造成的损失，已成为接口设备可靠性工作中必不可少的环节。
1 设计思路
1.1 浪涌电路设计
国内外很多研究表明：入侵信息系统的暂态过电压波大多是雷电在感应而产生的，其幅值一般在10 kV以内。为了完整地保护后级电子设备，一般设计两级保护电路，第一级采用GDT（气体放电管）对暂态过电压波大部分能量进行泄流，第二级使用后级TVS（瞬态抑制二极管）将过电压箝位在一个较低的水平，保证其残压不超过所保护设备的耐受电压。但是实际上由于GDT与TVS的性能差异很大，在放电响应时间方面，GDT一般放电响应时间为μs级，而TVS的响应时间为ns级。两者的放电时间相差很大，如果不增加辅助原件，那么必定是TVS先导通，而TVS管的通流量很小，无法完成泄放而被击穿，最终导致拦截雷电失效。为了实现两级间的能量配合，使GDT在暂态过电压波到达TVS之前提前导通泄流，需要在两级保护器件级之间加装退耦电阻[6]。退耦电阻阻值还要兼顾到对信号线路正常通信造成的影响，一般的原则是在保证SPD保护效果的前提下，尽量减小因加入退耦电阻而对信号线路正常通信造成的影响。如果第二级仅仅采用TVS管，其分布电容值很大，对于高频的信号而言，线路中存在较大的分布电容，对信号正常传输的很不利，因此需要在保护电路中加装整流桥，以减小对信号传输的影响（如图1所示）。
图1 RS485浪涌保护电路设计原理图
1.2 浪涌电路元器件参数选择
上述设计出了RS-485接口的保护电路，但是并未涉及到元器件的参数选取，下文针对RS-485的电路传输特点，从理论上计算和分析出电路上主要元器件的参数值。第一级采用气体放电管，启动电压是GDT最重要参数之一，其数值的选取涉及到以下两个方面制约，其一是为了SPD能够长期可靠的运行，SPD除了要能承受标称电压 Uo，还要能承受信号网络中的一些正常的电压波动；另一方面为了确保器件的安全，其限值电压必须限值在设备的耐受电压值以内[7-8]。因为出现过电压的几率是远远小于信息正常传输的时间，因此我们选取的原则是保证不影响信号的正常传输的前提下，保证残压限值在耐受电压范围内。GDT的直流起弧电压应满足式（1）：
， （1）
（上式中的 Uoc为直流起弧电压，min（Uoc）为直流放电电压的下限值，Uc为线路正常运行电压，1.15系数是考虑到系统运行电压可能出现的最大允许波动为15%，同样系数25%系数是在线路运行电压波动的基础上在追加25%的安全欲度）。结合前述RS485的传输电性能以及设备耐压因素等特点，最终选择GDT型号为3RM090-8（直流放电电压90 V）。第二级采用瞬态抑制二极管TVS，使其残压限制在一个较低范围以内。通常信号传输线上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。综上所述选用TVS 管型号 P6KE18A。理论上退耦元件有两种选择，退耦电阻或者退耦电感。退耦电阻适用于传输信号频率比较高的模拟信号，传输速率比较高的数字信号，退耦电感适用于低压电源系统。因此这里选择退耦电阻作为退耦元件[9-10]。在不影响信号传输的前提下，退耦电阻的阻值越大越好，因为增大电阻可以提高提高充气放电管跟 TVS 管的匹配效率但退耦电阻也不能过大理论上利用公式R=（Us-Uc）/Is，（其中Us是线路上可能出现的暂态过电压幅值，由于线路上的暂态过电压幅值难以预料，所以一般用充气放电管的冲击启动电压代替），本试验中选用的气体放电管规格是直流90 V的，冲击电压300 V，最终计算得到 R=5.76 Ω。另一方面为了避免引入过大的插入损耗，理论上通常选取阻值为0 Ω、1 Ω、2.2 Ω、4.7 Ω、6 Ω来作为信号类浪涌保护的退偶原件。显然优选值中没有5.76 Ω，因此下文我们将结合试验选取一个合适的阻值。为了验证加入整流桥后的效果，试验中我们选取了型号为2W08的整流桥，进行了有无两种情况下的对比。
2 实验数据分析
为了验证上述设计的浪涌保护电路能否达到预期的效果，我们根据GB/T18802.21-2004 相关章节内容对所设计RS485接口信号SPD进行传输特性试验、冲击限制电压试验、冲击耐受试验。针对试验中所得到的数据进行分析，对于实验中发现的问题进行探究讨论，并且对于设计方中的一些不足之处进行修正分析，进一步提高设计的合理性。 2.1 1.2/50 μs 波形冲击下测试限值电压实验
对于信号SPD限值电压的测试一般使用1.2/50 μs波形，来确定其启动电压。一般先采用0.5 kV，1.2/50 μs电压波先对线-地之间进行冲击，即对5、6、7、8分别与地之间进行多次冲击；再对线间冲击，即7～8，5～6之间施加冲击电压。其次设定该值冲击试品，进行10次冲击其中正、负极性各5次，间隔1 min，输出端测量冲击电压下的电压峰值，记录电压值，求其平均，则可确定其电压保护水平。表1为在0.5 kV、1.2/50 μs电压波冲击下各个线地之间的限制电压。
由表1可以看出：在0.5 kV、1.2/50 μs电压波冲击下，限制电压水平基本上维持在400 V左右波动，通过第一级的泄放，可以将线地之间的残压限值在一个较低的水平，其线间的限制电压维持在 15 V左右，从而保护后级设备能够正常运行。
2.2 组合波下冲击耐受测试实验
通过本试验测试该试品的线-地之间的残压值是否会引起保护设备的绝缘损坏。一般先对线地进行测试，如有需要可对线间测试，对多路输入输出SPD，随机抽取一个回路进行测试，本实验抽取5号线与地线回路进行测试。然后将标称耐受能力的8/20 μs冲击波形施加在 SPD 的输入端，正负极性各5次，每次冲击间隔时间为3 min，在输出端测量残压Ures，其值应该小于电压保护水平 Up。表2是在不同的冲击电压下，线地残压和通流水平。
表2为不同冲击电压下线-地残压以及通流容量的关系。可以看出：随着冲击电压的增大，线地的残压逐渐增大，并且增加的幅度逐渐减小。通流容量也随着冲击电压的增大而增大，并且冲击电压和通流的比值接近接近一个定值。由图2可知，3.5 kV冲击时的残压值64.0 V，此残压值不会引起设备对机壳的放电。
图2 复合波冲击3.5 kV时残压和通流波形图
2.3 加入整流桥前后静态分布电容对比分析
采用TH2818自动元件分析仪，分别对装有整流桥和未装整流桥试品的线-间及线-地静态分布电容值进行六组测试，测试数据如表3和4所示。
由表3和表4对比可以看出，线间分布电容比未加入阵列时的300pF下降20pF左右，线地之间的分布电容由40pF下降到10pF左右，显然作用很明显，同时测试结果均满足RS485数据接口对静态分布电容值的要求。
2.4 退耦原件阻值的选取
为了避免引入过大的插入损耗，通常选取阻值为0Ω、1Ω、2.2Ω、4.7Ω、6Ω来作为信号类浪涌保护的退偶原件。现选用电压幅值为1 kV的1.2/50 μs冲击电压波分别对上述5种阻值的退偶原件进行线-地间冲击测试。记录其限制电压值、残压值。
据表5数据，可以得出五个试品在复合波作用下，限制电压值基本一致，说明退耦电阻阻值的大小对试品的限制电压影响不大。而在8/20 μs冲击电流波作用下，退耦电阻阻值小于1.0 Ω的试品无法得到残压值，退耦电阻阻值大于2.2 Ω的试品残压值逐渐减小，说明退耦电阻阻值小于1.0 Ω的试品前后两级之间未能实现能量配合，后级TVS承受了几乎所有的浪涌流，以致被击穿。而退耦电阻阻值大于1.0 Ω的试品两级之间实现能量配合，但随着退耦电阻阻值增大，残压值越来越低，对试品及后续电子设备的有益。本试品选用网络信号分析仪对对上述退耦电阻阻值为4 Ω、6 Ω的不同的试品接入系统后造成的插入损耗及近端串扰参数进行测试，实验数据如图3，图4所示。
图3 不同电阻值下插入损耗衰减的情况 图4 不同电阻值下近端串扰的情况
图3可以清楚的看出阻值为4 Ω的退偶原件的插入损耗小于阻值为6 Ω的原件，结合前述中测试前后级能量配合情况，应选用4.7 Ω的退偶原件，这样兼顾传输信息的流畅性和过电压保护的功能。另外，图4表明阻值为4、6 Ω的退偶原件的近端串扰都符合测试要求。综合前述的测试结果，最终确定本试验中选定退偶原件阻值为4.7 Ω。
3 结语
该文针对RS485接口电路的传输特点，通过理论计算和实验验证了所设计的浪涌电路基本上可以达到预期的效果。同时也给我们提示，通讯接口的不同，所选取元器件的参数有所差异，需要结合具体接口的电气特性才能设计出合适的浪涌保护电路。
参考文献
[1] 李佳，杨仲江，高贵民.工业控制系统的雷电灾害防护技术研究 [J].灾害学，2007，22（2）：51-55.
[2] 孟立凡，郑宾.传感器原理及技术[M].北京：国防工业出版社，2005：42-48.
[3] 韩伟，王建文，王学辉，等.电源线路浪涌保护器（SPD）安全性能的分析探究[J].电瓷避雷器，2008（6）：22-24.
[4] 张小青.建筑物内电子设备的防雷保护[M].北京：电子工业出版社，2002：44-57.
[5] 易秀成，肖稳安.电涌保护器的选型设计探讨[J].建筑电气，2007（8）：32-36.
[6] 谢社初.信息系统雷电过电压的SPD防护[J].电气应用，2007（3）：16-20.
[7] 王德志.浅谈防雷击电磁脉冲及SPD的应用[J].电气应用，2007（1）：46-48.
[8] 郭凤文.关于SPD的几个问题的讨论[J].电气应用，2005，24（2）：12-15.
[9] 谢嘉奎.电子线路·非线性部分[M].北京：高等教育出版社，2000：215-220.
[10] 国家电力公司武汉高压研究所.GB/T 18802.21—2004低压电涌保护器第21部分：电信和信号网络的电涌保护器（SPD）性能要求和试验方法[S].北京：中国标准出版社，2004：60-64.
关键词：RS485接口 电涌保护器 两级保护 退偶电阻
中图分类号：T M863 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（a）-00-03
人类社会步入信息化以来，电子信息设备和计算机等通讯系统已深入各个领域，给人们生活带来了极大地方便。随着便利化、微型化和高度集成化的同时，由于构成这类弱电设备的内部的微电子器件、计算机芯片等集成化程度不断的提高，难免会出现对过电压极其敏感，极易受到多种电磁干扰而不利于信息正常传输的现象，给设备安全可靠性带来了隐患，造成不可估计的损失[1-3]。
在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200 mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复[4-5]。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。因为RS-485接口抗雷电过电压干扰能力较差，因此设计特定浪涌保护器对其进行保护，尽量减小因遭受雷电等冲击过电压的干扰、损坏造成的损失，已成为接口设备可靠性工作中必不可少的环节。
1 设计思路
1.1 浪涌电路设计
国内外很多研究表明：入侵信息系统的暂态过电压波大多是雷电在感应而产生的，其幅值一般在10 kV以内。为了完整地保护后级电子设备，一般设计两级保护电路，第一级采用GDT（气体放电管）对暂态过电压波大部分能量进行泄流，第二级使用后级TVS（瞬态抑制二极管）将过电压箝位在一个较低的水平，保证其残压不超过所保护设备的耐受电压。但是实际上由于GDT与TVS的性能差异很大，在放电响应时间方面，GDT一般放电响应时间为μs级，而TVS的响应时间为ns级。两者的放电时间相差很大，如果不增加辅助原件，那么必定是TVS先导通，而TVS管的通流量很小，无法完成泄放而被击穿，最终导致拦截雷电失效。为了实现两级间的能量配合，使GDT在暂态过电压波到达TVS之前提前导通泄流，需要在两级保护器件级之间加装退耦电阻[6]。退耦电阻阻值还要兼顾到对信号线路正常通信造成的影响，一般的原则是在保证SPD保护效果的前提下，尽量减小因加入退耦电阻而对信号线路正常通信造成的影响。如果第二级仅仅采用TVS管，其分布电容值很大，对于高频的信号而言，线路中存在较大的分布电容，对信号正常传输的很不利，因此需要在保护电路中加装整流桥，以减小对信号传输的影响（如图1所示）。
图1 RS485浪涌保护电路设计原理图
1.2 浪涌电路元器件参数选择
上述设计出了RS-485接口的保护电路，但是并未涉及到元器件的参数选取，下文针对RS-485的电路传输特点，从理论上计算和分析出电路上主要元器件的参数值。第一级采用气体放电管，启动电压是GDT最重要参数之一，其数值的选取涉及到以下两个方面制约，其一是为了SPD能够长期可靠的运行，SPD除了要能承受标称电压 Uo，还要能承受信号网络中的一些正常的电压波动；另一方面为了确保器件的安全，其限值电压必须限值在设备的耐受电压值以内[7-8]。因为出现过电压的几率是远远小于信息正常传输的时间，因此我们选取的原则是保证不影响信号的正常传输的前提下，保证残压限值在耐受电压范围内。GDT的直流起弧电压应满足式（1）：
， （1）
（上式中的 Uoc为直流起弧电压，min（Uoc）为直流放电电压的下限值，Uc为线路正常运行电压，1.15系数是考虑到系统运行电压可能出现的最大允许波动为15%，同样系数25%系数是在线路运行电压波动的基础上在追加25%的安全欲度）。结合前述RS485的传输电性能以及设备耐压因素等特点，最终选择GDT型号为3RM090-8（直流放电电压90 V）。第二级采用瞬态抑制二极管TVS，使其残压限制在一个较低范围以内。通常信号传输线上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。综上所述选用TVS 管型号 P6KE18A。理论上退耦元件有两种选择，退耦电阻或者退耦电感。退耦电阻适用于传输信号频率比较高的模拟信号，传输速率比较高的数字信号，退耦电感适用于低压电源系统。因此这里选择退耦电阻作为退耦元件[9-10]。在不影响信号传输的前提下，退耦电阻的阻值越大越好，因为增大电阻可以提高提高充气放电管跟 TVS 管的匹配效率但退耦电阻也不能过大理论上利用公式R=（Us-Uc）/Is，（其中Us是线路上可能出现的暂态过电压幅值，由于线路上的暂态过电压幅值难以预料，所以一般用充气放电管的冲击启动电压代替），本试验中选用的气体放电管规格是直流90 V的，冲击电压300 V，最终计算得到 R=5.76 Ω。另一方面为了避免引入过大的插入损耗，理论上通常选取阻值为0 Ω、1 Ω、2.2 Ω、4.7 Ω、6 Ω来作为信号类浪涌保护的退偶原件。显然优选值中没有5.76 Ω，因此下文我们将结合试验选取一个合适的阻值。为了验证加入整流桥后的效果，试验中我们选取了型号为2W08的整流桥，进行了有无两种情况下的对比。
2 实验数据分析
为了验证上述设计的浪涌保护电路能否达到预期的效果，我们根据GB/T18802.21-2004 相关章节内容对所设计RS485接口信号SPD进行传输特性试验、冲击限制电压试验、冲击耐受试验。针对试验中所得到的数据进行分析，对于实验中发现的问题进行探究讨论，并且对于设计方中的一些不足之处进行修正分析，进一步提高设计的合理性。 2.1 1.2/50 μs 波形冲击下测试限值电压实验
对于信号SPD限值电压的测试一般使用1.2/50 μs波形，来确定其启动电压。一般先采用0.5 kV，1.2/50 μs电压波先对线-地之间进行冲击，即对5、6、7、8分别与地之间进行多次冲击；再对线间冲击，即7～8，5～6之间施加冲击电压。其次设定该值冲击试品，进行10次冲击其中正、负极性各5次，间隔1 min，输出端测量冲击电压下的电压峰值，记录电压值，求其平均，则可确定其电压保护水平。表1为在0.5 kV、1.2/50 μs电压波冲击下各个线地之间的限制电压。
由表1可以看出：在0.5 kV、1.2/50 μs电压波冲击下，限制电压水平基本上维持在400 V左右波动，通过第一级的泄放，可以将线地之间的残压限值在一个较低的水平，其线间的限制电压维持在 15 V左右，从而保护后级设备能够正常运行。
2.2 组合波下冲击耐受测试实验
通过本试验测试该试品的线-地之间的残压值是否会引起保护设备的绝缘损坏。一般先对线地进行测试，如有需要可对线间测试，对多路输入输出SPD，随机抽取一个回路进行测试，本实验抽取5号线与地线回路进行测试。然后将标称耐受能力的8/20 μs冲击波形施加在 SPD 的输入端，正负极性各5次，每次冲击间隔时间为3 min，在输出端测量残压Ures，其值应该小于电压保护水平 Up。表2是在不同的冲击电压下，线地残压和通流水平。
表2为不同冲击电压下线-地残压以及通流容量的关系。可以看出：随着冲击电压的增大，线地的残压逐渐增大，并且增加的幅度逐渐减小。通流容量也随着冲击电压的增大而增大，并且冲击电压和通流的比值接近接近一个定值。由图2可知，3.5 kV冲击时的残压值64.0 V，此残压值不会引起设备对机壳的放电。
图2 复合波冲击3.5 kV时残压和通流波形图
2.3 加入整流桥前后静态分布电容对比分析
采用TH2818自动元件分析仪，分别对装有整流桥和未装整流桥试品的线-间及线-地静态分布电容值进行六组测试，测试数据如表3和4所示。
由表3和表4对比可以看出，线间分布电容比未加入阵列时的300pF下降20pF左右，线地之间的分布电容由40pF下降到10pF左右，显然作用很明显，同时测试结果均满足RS485数据接口对静态分布电容值的要求。
2.4 退耦原件阻值的选取
为了避免引入过大的插入损耗，通常选取阻值为0Ω、1Ω、2.2Ω、4.7Ω、6Ω来作为信号类浪涌保护的退偶原件。现选用电压幅值为1 kV的1.2/50 μs冲击电压波分别对上述5种阻值的退偶原件进行线-地间冲击测试。记录其限制电压值、残压值。
据表5数据，可以得出五个试品在复合波作用下，限制电压值基本一致，说明退耦电阻阻值的大小对试品的限制电压影响不大。而在8/20 μs冲击电流波作用下，退耦电阻阻值小于1.0 Ω的试品无法得到残压值，退耦电阻阻值大于2.2 Ω的试品残压值逐渐减小，说明退耦电阻阻值小于1.0 Ω的试品前后两级之间未能实现能量配合，后级TVS承受了几乎所有的浪涌流，以致被击穿。而退耦电阻阻值大于1.0 Ω的试品两级之间实现能量配合，但随着退耦电阻阻值增大，残压值越来越低，对试品及后续电子设备的有益。本试品选用网络信号分析仪对对上述退耦电阻阻值为4 Ω、6 Ω的不同的试品接入系统后造成的插入损耗及近端串扰参数进行测试，实验数据如图3，图4所示。
图3 不同电阻值下插入损耗衰减的情况 图4 不同电阻值下近端串扰的情况
图3可以清楚的看出阻值为4 Ω的退偶原件的插入损耗小于阻值为6 Ω的原件，结合前述中测试前后级能量配合情况，应选用4.7 Ω的退偶原件，这样兼顾传输信息的流畅性和过电压保护的功能。另外，图4表明阻值为4、6 Ω的退偶原件的近端串扰都符合测试要求。综合前述的测试结果，最终确定本试验中选定退偶原件阻值为4.7 Ω。
3 结语
该文针对RS485接口电路的传输特点，通过理论计算和实验验证了所设计的浪涌电路基本上可以达到预期的效果。同时也给我们提示，通讯接口的不同，所选取元器件的参数有所差异，需要结合具体接口的电气特性才能设计出合适的浪涌保护电路。
参考文献
[1] 李佳，杨仲江，高贵民.工业控制系统的雷电灾害防护技术研究 [J].灾害学，2007，22（2）：51-55.
[2] 孟立凡，郑宾.传感器原理及技术[M].北京：国防工业出版社，2005：42-48.
[3] 韩伟，王建文，王学辉，等.电源线路浪涌保护器（SPD）安全性能的分析探究[J].电瓷避雷器，2008（6）：22-24.
[4] 张小青.建筑物内电子设备的防雷保护[M].北京：电子工业出版社，2002：44-57.
[5] 易秀成，肖稳安.电涌保护器的选型设计探讨[J].建筑电气，2007（8）：32-36.
[6] 谢社初.信息系统雷电过电压的SPD防护[J].电气应用，2007（3）：16-20.
[7] 王德志.浅谈防雷击电磁脉冲及SPD的应用[J].电气应用，2007（1）：46-48.
[8] 郭凤文.关于SPD的几个问题的讨论[J].电气应用，2005，24（2）：12-15.
[9] 谢嘉奎.电子线路·非线性部分[M].北京：高等教育出版社，2000：215-220.
[10] 国家电力公司武汉高压研究所.GB/T 18802.21—2004低压电涌保护器第21部分：电信和信号网络的电涌保护器（SPD）性能要求和试验方法[S].北京：中国标准出版社，2004：60-64.