关于RS485防雷保护中四种接地方案对比
RS485数据总线雷击过压防浪涌保护方案
RS485数据总线雷击过压防浪涌保护方案RS485数据总线雷击过压防浪涌保护方案串口系列2008-11-08 15:45:51 阅读255 评论0 字号：大中小订阅1、RS485 总线的应用领域：工业控制，DCS，数据采集系统高速公路收费系统过程控制及制造电力系统采集与控制系统远程终端互连2、雷击过压防护的必要性：由于RS485总线实行长距离传输(1200米以上)，而且其传输线通常暴露于户外，因此极易因为雷击等原因引入过电压。
而RS485收发器工作电压较低（5V左右），其本身耐压非常低（-7~+12V），一旦过压引入，就会击穿损坏芯片。
还有强烈的浪涌能量出现时，甚至可以看到收发器爆裂，线路板焦糊的现象。
3、防护方法及原理图：以上为RS485总线的两级防护电路图。
当雷击发生时，感应过电压由两端引入，G2与G3进行共模防护，G1进行差模防护，此时过电压被大大削弱到约500V左右，在经过电阻R1、R2限浪，TVS1/2二次限压后，到收发器的电压被箝制在6.8V左右，从而实现对收器的保护。
4、方案选择与对比5、知识问答问：各种器件的选择依据是什么？G1G2G3的选择首先考虑其耐压耐流的能力。
如YS-301能承受10/700μS，4KV雷击测试；90V陶瓷放电管（3RM090L-8）可承受10/700μS, 8KV雷击测试；R1R2可选择限流效果最好的高成PPTC，他既可以是一个限流电阻，也可以当一个保险丝使用。
当然这里也可以选择线绕电阻，经过实际测试，该方案中的线绕电阻选择为10Ω/1W,价格低廉，效果不错；PTC则可以采用10Ω左右，100~200MA，耐压250V以上的自恢复保险丝。
TVS1/2选择根据芯片的工作电压与耐压决定，一般略高于芯片最高工作电压，可以6.8V-10V之间选择。
问：过压防护标准的依据是什么？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。
RS—485串口通信防雷技术应用
RS—485串口通信防雷技术应用由于计算机技术、通讯技术和网络技术的飞速发展和广泛应用，电力系统通信正在发生深刻的变化，传统的集中、低速、专用封闭式的运动系统已向开放、高速、综合的网络花方向发展，通过局域网互联和广域网互联，实现系统信息资源的共享利用，在采用双绞线作传输线构成RS-485总线网络中，常因雷电瞬变干扰而损坏器件，基于此点，结合变电站综合自动化系统RS-485数据通信防雷薄弱的现状，利用最新的数据通信防雷技术提出对变电站综合自动化系统数据通信实行整体的安全防护。
标签：网络技术；双绞线；瞬变；安全防护0 引言由于计算机技术、通讯技术和网络技术的飞速发展和广泛应用，电力系统通信正在发生深刻的变化，传统的集中、低速、专用封闭式的运动系统已向开放、高速、综合的网络花方向发展，通过局域网互联和广域网互联，实现系统信息资源的共享利用。
同时在变电站内，不同厂家的各种设备要连到监控、远动等信息处理主站，虽然做不到所有厂家都按照同一种标准互联，但可以通过协议转换器，实现不同介质、不同协议设备间的信息交换。
随着城农网改造的不断深入，一方面变电站综合自动化技术已趋于成熟，另一方面企业为了实现减人增效的目的，实现无人或少人值班变电站已是一种发展趋势，同时由于RS-485 总线仅需用一对双绞线即可实现多设备联网构成分布式系统，且设备简单、价格低廉，故RS-485总线通信方式在变电站综自系统中得到广泛应用。
由于每年春夏之初雷电多发，虽然变电站都有比较完善的防雷系统，雷电直击自动化设备的可能性不大，但通过通信线路或电磁感应还是有可能造成自动化设备RS-485通信口的损坏，造成无人值班变电站数据失控甚至大面积停电事故。
发生综合自动化系统RS-485通信口损坏一方面严重威胁着电网的安全运行，另一方面由于综自设备的检修或更换等原因经常造成对用户的停电。
因此加强和改进变电站综自设备RS-485通信的安全防护，是我们远动自动化专业人员迫切需要解决的重要技术课题。
RS485通讯防雷
RS485通讯防雷一、电路1.1. RS485通讯标准协议相信RS485通讯标准大家都已经熟悉了，也不再多说。
下面的说明部分在网上广为流传，就抄抄下来吧。
典型的串行通讯标准是RS232和RS485.它们定义了电压,阻抗等。
但不对软件协议给予定义，区别于RS232, RS485的特性包括：a. RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6） V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。
接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。
b. RS-485的数据最高传输速率为10Mbpsc. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。
d. RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米。
RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器，因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。
因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。
1.2. 典型的RS485通信芯片以TI为例，通常所用的BC184，内置TVS保护，具有15KV静电防护能力；稍差一点的BC182，则可以防护至8KV ESD冲击；而3082，则只能承受4KV ESD冲击。
在选用485芯片时，需注意其ESD 防护能力，驱动能力，对485总线差分信号的定义等。
1.3. 485应用电路举例。
a. A/B线需拉上下拉，保证总线空闲时，A/B差分信号仍是确定状态，避免杂讯影响。
上/下拉电阻取得小，则负载加重，会影响485总路线上节点数量；而取得大，则会影响数据传输的波特率。
，一般在几K到几十K之间，具体还在看应用电路的需求。
(比如此电路中上/下拉取值为3.3K，在实际带载测试(1200bps)时，485总线上只能挂十几外负载；而换成47K，则可以挂到一百多个负载；但若要在9600bps下通信，则上/下拉要小一些才行，目前的试验发现，10K基本上已经是极限了)b. 对地TVS用作ESD防护。
RS485抗雷击技术介绍
RS485抗雷击技术介绍详细说明：RS485数据总线雷击过压防护1．RS485总线的应用领域工业控制，DCS，数据采集系统高速公路收费系统过程控制及制造电力系统采集与控制系统远程终端互连2．雷击过压防护的必要性由于RS485总线实行长距离传输(1200米以上)，而且其传输线通常暴露于户外，因此极易因为雷击等原因引入过电压。
而RS485收发器工作电压较低（5V左右），其本身耐压也非常低（-7V~+12V），一旦过压引入，就会击穿损坏。
在有强烈的浪涌能量出现时，甚至可以看到收发器爆裂，线路板焦糊的现象。
3．防护方法及原理以上为RS485总线的两级防护电路图。
当雷击发生时，感应过电压由T与R端引入，G1.G2进行共模防护，G3进行差模保护，此时过电压被大大削弱到约500V左右，在经过电阻R1R2限流，TVS1/2二次限压后，到收发器的电压被钳制在6.8V左右，从而实现对收发器的保护。
型号（G1/G2/G3）直流开启电压Vs(100V/S) 绝缘电阻Ir(DC100V) 静电电容（1KHZ）通流能量（10/700us）TED485 120V~240V ≥100MΩ ≤2PF 4KV/500A4．方案选择与对比G1/G2/G3 R1/R2 TVS1/2 比较方案一TED485 10Ω/1W P6KE6.8CA 体积小/防护中/成本低方案二3R090 10Ω/1W P6KE6.8CA 体积大/防护高/成本高方案三P0640 10Ω/1W P6KE6.8CA 体积小/防护低/成本中5．知识问答问：各种器件的选择依据是什么？答：G1G2G3的选择首先考虑其耐压耐流能力。
如TED485能承受10/700us，4KV雷击测试；90V陶瓷管（3R090）可承受10/700us，8KV雷击测试；64V固体管（P0640）只能承受10/700us，3KV雷击测试。
R1R2可选择限流效果最好的高成本PTC电阻，也可以选择低成本线绕电阻。
RS485-RS232-以太网接口防雷防静电方案
一、RS485与RS232防护方案RS485 信号防雷保护RS232 信号防雷保护方案说明：图中只画了防雷及过压过流保护部份，至于上拉下拉电阻和终端电阻等并没有标示第一级使用三极气放管进行粗保护，差模共模保护，出现大电压时，气放管导通，将大电流引导到大地，为后续电路提供一道屏障，自恢复保护丝起过流保护，电流异常时，会由低阻转为高阻，将电路切断，以达到保护后续电路的作用，也起线路匹配作用。
TVS 作精细保护，共模差模全保护，经过前二次的保护，到这里的电压通常不会太高，TVS 进行再次的精细保护，为后续的电路提供精准的保护，TVS 还有防静电的作用，使接口芯片处于安全的环境之内。
此方案符合IEC61000-4-2 、IEC61000-4-4 、IEC61000-4-5 等相关测试标准。
二、以太网防护方案实际使用中Ethernet 接口是一个125 MHz 的时钟频率，工作为 2 V 数字电平信号。
往往产品在室内，短通讯数据线应用中，产品从以太网接口输入的通常是ESD 的威胁。
1．千兆网络静电保护符合标准：IEC 61000-4-2 Level 4 (Contact: 12 kV Air: 17 kV）优点：提供高速数据传输需要，无信号损失、不影响速率千兆网络静电保护2．10M /100M 静电加雷击保护方案一：适用条件:离充分暴露的直击雷区间用网络线连接线短于10米距离设备测试标准:TU-T K.21 (10/700 μS) 阻抗(40Ω)差糢:1.0KV 共模:6.0KV10M /100M 静电加雷击保护方案一方案二：适用条件: 充分暴露的直击雷区间测试标准: IEC61000-4-5 1.2/50 & 8/20μS 阻抗(2Ω) 差糢:6KV 共糢:6KV10M /100M 静电加雷击保护方案二方案说明:方案选择第一级使用GDT气体放电管,将浪涌电流通过开关式气体放电管泄放到大地,或放电管电极之关的惰性气体电光弧以热量形式消除,中间充分利用网络变压器的电感特性,起到去藕和隔离作用。
RS485_在智能电表中的防雷设计
RS-485在多功能电能表中的防雷设计智能电表系统已经广泛地应用到工业和生活的领域。
在电表中使用自动抄表技术通过通信端口读取数据，而且大部分情况采用远程读数方式。
对于电表应用来说既安全又节省了时间和金钱。
实现该技术的关键是确保通信链路安全可靠。
由于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，使多点连接成为可能。
因此，RS-485成为智能电表的标准通信接口。
但RS-485口传输线通常暴露于户外，因此极易因为雷击等原因引入过电压。
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），一旦过压引入，就会击穿损坏。
在有强烈的浪涌能量出现时，甚至可以看到收发器爆裂，线路板焦糊的现象。
因此防雷击保护成为RS-485接口设计必须要考虑的。
通常，如图1所画，使用PPTC和TVS作为RS-485的防雷击保护图1：电表RS-485接口保护当雷击发生时，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。
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。
而实现对收发器的浪涌保护。
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。
这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众所周知，TVS 是半导体保护器件，具有响应速度快，可靠性高的优点。
RS485组网时的接地问题分析
RS485组网时的接地问题分析摘要：RS485作为差分总线通信结构，具有距离长，抗干扰强等特征，在工业领域广泛应用。
在构建RS-485传输网络时，需要认真考虑接地问题，若接地设计不合理，整个网络的稳定性和安全性将受到影响。
本文针对目前主要的几种接地方案进行对比分析，供不同场景下使用做参考。
关键词：RS485、差分总线、共模、接地、组网。
1 分析背景在构建RS-485传输网络时，需要认真考虑接地问题。
如果接地设计不合理，整个网络的稳定性将受到影响，尤其是在工作环境比较恶劣和传输距离较远的情况下，接口器件的损坏率也会变高。
由于RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。
但收发器有一定的共模电压范围，RS-485为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。
当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口器件。
下面，将对几种组网接地的方案进行分析：2 组网接地分析2.1 无接地系统这类系统类似于手持设备，本身对外是绝缘的，内部电路没有接地系统，对外通信只有AB两根信号线，如下图所示：图 1 无接地系统拓扑这种连接最简单，在实际中也可以使用，但存在的隐患是共模问题。
已知两个节点之间的电源系统是相互独立的，GND1与GND2不连接，两者有可能存在一个共模电压差。
通信时，A节点相对于GND1发送的数据，在B节点相对于GND2就有可能超出共模范围。
所以，一般这类应用都采用隔离电源， GND1和GND2之间电位相互浮动，相对来说压差不会很大，对通信没什么影响。
一个完全消除隐患的方法是将GND1与GND2互连，即让两个电源等电位。
但不方便的是，需要多传输一个GND线，可能在现场不易实施。
另外，由于该电路没有接地系统，整个设备的电位相对于PE是浮动的，在带电热插拔接口的情况可能会触电。
而且，由于没有地泄放回路，外界浪涌对设备的冲击会施加在内部隔离器件上，对内部电路的耐压、隔离等性能有要求。
RS485传收器实现强大的雷击保护功能
RS485传收器实现强大的雷击保护功能智能电网(Smart Grid) 是目前全世界重要的节能减碳政策之一，其中具有可长距离通讯的RS485网络，是智能电网中关键的传输接口。
RS-485传输线一般架在室外或沿电缆铺设，所以常发生因雷击在传输线上引起瞬变干扰而损坏器件。
此外，RS-485网络一般是Party-Line (or Bus)结构，即一条总线(Bus)连接数十至数百个RS485传收器(Transceiver)。
因此，雷击浪涌(Surge)产生电压突波可能会导致传输线上数百个RS-485传收器的损坏。
故任何的电压突波保护措施是RS-485实际使用中必须考虑的问题，也是提高系统可靠性及安全性重要的措施。
晶焱科技本持着在ESD领域的专业设计经验，推出具有IEC61000-4-5 (8/20μs) ±30A雷击功能的RS485传收器(AZRS3082)，AZRS3082是目前市面上雷击保护功能最强大的RS485传收器。
AZRS3082具有最强大的ESD保护功能在传统的RS485传收器中，为了符合DL/T 645的标准，传输线接口A,B两端会有HBM 15kV的规格，但在实际应用上，这样的防护是不够的。
所以目前一般的解决方法是在RS-485传收器外部加上瞬变电压抑制二极管(Transient Voltage Suppressor, TVS)来防止电压突波，但一般的TVS很难做到大功率，所以在雷击浪涌到来时，瞬间大能量会直接损坏一般的TVS，尤其是整合到芯片中的TVS更是脆弱，所以设计上还是需要外加雷击浪涌保护组件。
目前外加的雷击浪涌保护组件有气体及陶瓷放电管、压敏电阻及TVS三种。
放电管的耐电流能力很强，但是其反应速度慢，箝制电位也非常高(约为800V左右)，这样的特性使其保护效果大打折扣，常会遇到即使加了放电管，受保护组件仍会损害。
压敏电阻其寄生电容大，导通电阻也高，且低电压的压敏电阻漏电流大，也不适合用于RS-485接口保护。
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关于RS485防雷保护中四种接地方案对比
第一级GDT（陶瓷放电管）用作大电流的泄放，第二级的TVS箝位电压（单个TVS作差模保护，两个串联TVS作共模保护），中间用保险丝退耦，后端为485芯片。
由于TVS共模保护是要保护后面的电路或者芯片，所以TVS的地和后端电路的信号地是连接在一起的，这样才有保护意义。
这四种方案的保护等级：可通过IEC61000-4-5；4级标准: 1.2/50us 4KV , 10/700us 6KV。
根据三者不同的接地组合方式，可以把接地分成四种情况(以下四种都是基于共模保护时的情况)。
一．四种接地方案电路原理图
下面就是四种接地方案的电路原理图，GDT（陶瓷放电管）接地，TVS（瞬态抑制二极管）接地，后端电路的是信号地，大家从图中可以很方便的看到接地的情形。
二．关于上面四种方案的测试数据
三．对几种方案和实验数据的分析
从表格的测试数据中可以看到，方案一共模残压（CD两端）比方案二和方案四要略高，当接地状况不良好的时候,由于后端与大地之间进行了隔离，这时候对芯片的影响很小，跟第四种方案差不多，不过这种方案比第三种和第四种节约了成本；但是当大地状况良好的时候，第二种接地方案比第一种要好。
当大地电压出现高电压，或者电力线接触到外壳引起大地电压升高，这时候需要良好的接地隔离。
所以当不清楚大地是否良好的时候，选择第一种方案比第二种方案要好。
方案二的残压比第四种的残压要稍微低点，当接地良好的时候选用第二种比较好；如果接地情况不良，从地面过来的地反击电压很容易造成后端电路的异常；从前端过来的大电流大电压，GDT与TVS组成回路，也可能与从后端电路组成回路，这个时候就要看后面芯片的耐压。
经过测试，一般485芯片的耐压是40V到50V，不同厂家的芯片质量也不尽相同，耐压有高有低。
当地电压超过芯片的耐压值，芯片会被打死。
可以看出方案二稳定性不够好。
方案三前后一起加GDT（陶瓷放电管）再接大地，这种方案跟方案二相比，残压高些。
当浪涌从前端过来，要经过两个陶瓷放电管放电才会将大电流泄放到大地，而且此时的电流很可能直接流向后端电路，而不是通过第二个陶瓷泄放到大地，当能量过大，芯片会被打死。
当大地电压没有超过接地陶瓷放电管击穿电压的时候，对后端芯片可以起到保护作用，与第二种方案相比，增加了一个陶瓷放电管，很显然这种方案不合理化，进而设计方案四的电路。
方案四共模残压不高，后端电路与地面进行了隔离，大地状况的好坏与否对其影响不大，选这种相对第二种要好些。
前端陶瓷放电管直接接地，将大电流直接泄放到大地，后端TVS 起第二级保护，保护效果不错。
与第一种方案相比，方案四的成本有所增加，但残压比方案一要低；与第二种方案相比，稳定性比它要好；与第三种相比较，它减少了从前端过来的电流的路径，从而很好地保护了后端的电路或者芯片。
总结：一个方案的保护效果，残压高低，保护成本，应用环境，都是工程师需要慎重考虑的问题。