CN101162840A

CN101162840A - 接口保护电路

Info

Publication number: CN101162840A
Application number: CNA2006101136574A
Authority: CN
Inventors: 任翔
Original assignee: Datang Mobile Communications Equipment Co Ltd
Current assignee: Datang Mobile Communications Equipment Co Ltd
Priority date: 2006-10-11
Filing date: 2006-10-11
Publication date: 2008-04-16

Abstract

本发明公开一种接口保护电路，包括在外部接口和受保护的接口之间通过信号线依次串联的瞬态电压抑制TVS泻放电路和信号隔离电路，其中，在信号隔离电路和受保护的接口之间还串联有箝位电路。本发明还公开一种接口保护电路，包括在外部接口和受保护的接口之间通过信号线串联的信号隔离电路，其中，在信号隔离电路和受保护的接口之间还串联有箝位电路。

Description

接口保护电路

技术领域

本发明涉及保护电路设计的技术领域，尤其涉及一种接口保护电路。

背景技术

在系统设计时，对各种接口的保护电路的设计将直接影响到系统的稳定性和可靠性。在使用各种接口芯片时，应该注意的问题包括：

a、在某些场合，由于现场情况十分复杂，各节点之间可能存在很高的共模电压。对于采用差分传输方式的接口，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模电压超过差分接口的极限接收电压时，差分接口就再也无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。

b、接口芯片在使用、焊接或设备的运输途中都有可能受到静电的冲击而损坏。在传输线架设于户外的使用场合，接口芯片乃至整个系统还有可能遭致雷电的袭击。

为防止问题a的发生，对接口进行保护时通常采用的电路是在外部接口和受保护的接口之间串联隔离电路/变压器；为防止问题b的发生，对接口进行保护时通常采用的电路是直接采用带有防静电(ESD)的接口芯片，或在受保护的接口的信号线上连接瞬态电压抑制(TVS)泻放电路。

下面以RS-485接口为例，对接口的保护电路做进一步具体说明。为减少或避免上述问题对RS-485接口甚至芯片的干扰和破坏，常用的保护电路包括：

在RS-485接口和其它接口之间连接光隔离器/变压器等，将各接口之间的信号进行隔离，如图1a所示。在采用RS-485接口的系统中，通常使用光隔离器/变压器将RS-485接口与主器件的接口进行隔离，从而防止各接口之间产生过高的共模电压。其中，光隔离器是利用光信号将电气信号实现转换，消除了电气连续性。只要电路的漂浮电平不超过隔离器的额定击穿电压(通常为1000-2500V)，接口就不会损坏。

直接采用带有防静电的RS-485接口芯片，或在RS-485接口的信号线上连接TVS泻放电路，如图1b所示。当系统受到静电冲击或遭雷击而导致信号线上出现浪涌电流时，TVS泻放电路可以为浪涌电流提供一条到地的低阻抗通道，使浪涌电流能够迅速地泻放到地上，从而保护接口免受浪涌电流的冲击。

上述保护电路都存在一些问题：对于采用光隔离器/变压器作为保护电路来说，该电路虽然对共模瞬变很有效，但是对信号线之间的差模瞬变则无能为力，而且光隔离器需要独立的电源供应，复杂性高，对持续的瞬变不敏感；对于采用TVS泻放电路作为保护电路来说，由于保护器件需要吸收大量能量，因此不能承受较长时间的瞬变，而且会有残留的电压、电流泄漏到后级的接口电路中。

对RS-485接口而言，经过试验证明：上述保护电路在做电快速瞬变脉冲群抗扰性试验、雷击浪涌抗扰性试验时都只能做到2级标准，而且不能消除热插拔时带来的尖峰脉冲。采用上述保护电路，对室内设备可以起到很好的保护作用。但对于室外设备，尤其是需要在恶劣环境中使用的室外设备并且需要做到3级以上标准，上述保护电路就不能满足要求了。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题是提供一种接口保护电路，可以为接口提供更好的保护，提高接口的可靠性和稳定性。对RS-485接口而言，经过试验证明，采用本发明提供的保护电路，可以满足电快速瞬变脉冲群抗扰性试验、雷击浪涌抗扰性等试验的4级标准，同时可以支持接插件的热插拔。本发明同时还提供了用于环境较好、保护等级要求较低的保护电路。

为此，本发明提供的技术方案如下：

一种接口保护电路，包括在外部接口和受保护的接口之间通过信号线依次串联的瞬态电压抑制TVS泻放电路和信号隔离电路，其中，在信号隔离电路和受保护的接口之间还串联有箝位电路。

其中，所述受保护的接口是RS-485接口。

其中，所述TVS泻放电路包括两个TVS双向二极管，所述外部RS-485接口的差分信号线分别通过一个TVS双向二极管和地连接。

其中，所述信号隔离电路包括一个共模电感，所述外部RS-485接口的差分信号线和受保护的RS-485接口的差分信号线通过共模电感连接。

其中，所述信号隔离电路包括两个电阻，所述外部RS-485接口的差分信号线和受保护的RS-485接口的差分信号线分别通过一个电阻连接。

其中，所述箝位电路包括三个箝位二极管，所述受保护的RS-485接口的差分信号线分别通过一个箝位二极管和地连接，所述RS-485接口的差分信号线之间通过一个箝位二极管连接。

其中，所述箝位电路包括两个箝位二极管，所述受保护的RS-485接口的差分信号线分别通过一个箝位二极管和地连接。

本发明同时还提供了用于环境较好、保护等级要求较低的接口保护电路，该电路包括在外部接口和受保护的接口之间通过信号线串联的信号隔离电路，其中，在信号隔离电路和受保护的接口之间还串联有箝位电路。

其中，所述受保护的接口是RS-485接口。

本发明提供的接口保护电路包括三种电路，分别是TVS泻放电路、信号隔离电路和箝位电路。虽然这三种电路都是常用的保护电路，但是将三种电路按信号传输的顺序进行连接，却能达到对接口电路更好的保护效果。在本发明中，按信号从外部接口向受保护的接口传输的方向，依次串联了第一级的TVS泻放电路、第二级的信号隔离电路和第三级的箝位电路。由于雷击或静电而导致信号线上产生浪涌脉冲信号时，通过TVS泻放电路可以将浪涌电流旁路到地上。当信号线上产生浪涌脉冲信号时，通过信号隔离电路的电感，不仅可以对信号线上的干扰尖峰脉冲进行抑制，而且还可以将前后级的信号进行隔离保护。另外，通过电感还可以使前后级保护电路之间产生一定的电压差，使前后级保护电路能够顺序启动，从而避免第一级的TVS泻放电路被旁路失去作用。第一级和第二级的电路将抑制并过滤掉浪涌信号的主要能量，当残留的浪涌信号进入第三级箝位电路时，可以通过信号线和地之间的箝位二极管将信号线和地之间的电位箝制在设计要求的范围内。对RS-485接口而言，经过试验证明，采用本发明提供的保护电路，可以满足电快速瞬变脉冲群抗扰性试验、雷击浪涌抗扰性等试验的4级标准，同时可以支持接插件的热插拔。本发明同时还提供了用于环境较好、保护等级要求较低的保护电路。

附图说明

图1a、1b分别是在外部RS-485接口和受保护RS-485接口之间连接隔离器/变压器、TVS泻放电路的示意图；

图2是本发明中第一种保护电路的结构示意图；

图3a和3b～3d分别是二极管箝位电路的连接示意图和信号传输示意图；

图4是本发明中第一种保护电路的连接示意图；

图5是本发明中第二种保护电路的连接示意图；

图6是本发明中第三种保护电路的连接示意图；

图7是本发明中第四种保护电路的连接示意图。

具体实施方式

为能给接口提供更好的保护，提高接口的可靠性和稳定性，在本发明中，采用3种常用的电路，即TVS泻放电路、隔离电路和箝位电路，经过特定的连接关系，为接口组成了3级保护电路。在本发明中，按信号从外部接口向受保护的接口传输的方向，依次串联了第一级的TVS泻放电路、第二级的信号隔离电路和第三级的箝位电路。由于雷击或静电而导致信号线上产生浪涌脉冲信号时，通过TVS泻放电路可以将浪涌电流旁路到地上。当信号线上产生浪涌脉冲信号时，通过信号隔离电路的电感，不仅可以对信号线上的干扰尖峰脉冲进行抑制，而且还可以将前后级的信号进行隔离保护。另外，通过电感还可以使前后级保护电路之间产生一定的电压差，使前后级保护电路能够顺序启动，从而避免第一级的TVS泻放电路被旁路失去作用。第一级和第二级的电路将抑制并过滤掉浪涌信号的主要能量，当残留的浪涌信号进入第三级箝位电路时，可以通过信号线和地之间的箝位二极管将信号线和地之间的电位箝制在设计要求的范围内。

下面，以RS-485接口为例，对本发明所述的3级保护电路做进一步具体说明。

为使RS-485接口的保护电路能够满足电快速瞬变脉冲群抗扰性试验、雷击浪涌抗扰性等试验的4级标准，并可以支持接插件的热插拔，在本发明中，为RS-485接口设计了3级保护电路，如图2所示。在图2中，差分信号从其它接口到RS-485接口需要经过3级保护电路，第1级是TVS泻放电路，第2级是隔离电路，第3级是箝位电路。

其中，箝位电路的作用是将信号的直流电平固定在某一个确定的数值上。下面，以常用的二极管箝位电路对箝位电路的作用加以说明。

图3a是二极管箝位电路的连接示意图。当电路输入矩形波信号Ui时，假设输入信号Ui的电平幅度为0～E，如图3b所示。如果没有箝位二极管D1，则输入信号Ui中的直流分量将被电容C1隔开，只有交流分量传至输出端，导致输出信号Uo失去直流分量，输出信号Uo的电平幅度将变为-E/2～E/2，如图3c所示。

采用箝位二极管D1后，当输入信号Ui的幅度带到E时，箝位二极管D1截止，电容C1充电。因时间常数R1×C1很大，所以输出信号Uo下降了ΔU；当信号Ui突然变至零时，箝位二极管D1导通；电容C1经箝位二极管D1很快地放电，输出信号Uo从-ΔU很快趋于零，因此输出信号Uo被箝位二极管D1箝位于0起始电平，也可以说，恢复了直流分量，如图3d所示。

以上对常用的二极管箝位电路进行了简要的说明，对于其它的可以对任意电平进行箝位的常用电路，这里不再进行说明。

下面，结合具体实施方式对本发明的保护电路做进一步具体说明。

如图4所示，本发明采用普遍使用的双向TVS二极管41构成第1级的TVS泻放电路。其中，瞬态电压抑制(TVS)二极管，是目前普遍使用的一种高效能电路保护器件。它的外形和普通二极管相同，但却能吸收高达数千瓦的浪涌功率，它的主要特点是在反向应用条件下，当承受高能量的大脉冲时，其工作阻抗立即降至极低的导通值，从而允许大电流通过，同时把电压箝制在预定水平，其响应时间仅为10ms～12ms，因此可以有效地保护电子线路中的精密元器件。可用于防雷击、防过电压、抗干扰、吸收浪涌功率等。

在第1级保护电路中，将与外部RS-485接口连接的两根差分信号线分别连接到两个双向TVS二极管41的一端，两个双向TVS二极管41的另一端都连接到地。如图4所示，双向TVS二极管41由两只单向TVS二极管“背靠背”构成，双向TVS二极管41的电压-电流特性曲线也如同两只单向TVS二极管的电压-电流特性曲线的“背靠背”组合。双向TVS二极管41的正反两个方向都具有相同的雪崩击穿特性和箝位特性，正反两面击穿电压的对称关系为：0.9≤V_正/V_反≤1.1，一旦加在它两端的干扰电压超过箝位电压就会立刻被抑制掉。

由于雷击或静电而导致差分信号线上产生浪涌脉冲信号时，通过双向TVS二极管41的雪崩击穿特性和箝位特性，可以将浪涌电流旁路到地上。

如图4所示，本发明采用普遍使用的共模电感42构成第2级的隔离电路。在第2级保护电路中、将与外部RS-485接口连接的两根差分信号线分别连接到共模电感42一侧的两端。共模电感42另一侧的两端分别连接到受保护的RS-485接口相应的输入端，并和第3级保护电路进行连接。

由于雷击或静电而导致差分信号线上产生浪涌脉冲信号时，通过共模电感42本身的特性可以对差分信号线上的共模干扰尖峰脉冲有抑制作用，还可以将前后级信号进行隔离保护。另外，通过共模电感42还可以使前后级保护电路之间产生一定的电压差，使前后级保护电路能够顺序启动，从而避免第1级保护电路被旁路。

在某些应用场合下，当不需要共模电感也可以达到设计要求时，可以采用电阻替代共模电感。这样不仅能达到设计要求，还可以降低成本。

如图4所示，本发明采用普遍使用的箝位二极管43阵列构成第3级的箝位电路。在第3级箝位电路中，在受保护的RS-485接口的每条差分信号线和地之间分别连接一个箝位二极管43，在两条差分信号线之间也连接一个箝位二极管43。

当残留的浪涌信号到来时，不仅可以通过差分信号线和地之间的箝位二极管43将差分信号线和地之间的电位箝制在设计要求的范围内，而且可以通过两条差分信号线之间的箝位二极管43，将两条差分信号线之间的电位也箝制在设计要求的范围内。

经过试验证明，采用本发明提供的保护电路，可以满足电快速瞬变脉冲群抗扰性试验、雷击浪涌抗扰性等试验的4级标准，同时可以支持接插件的热插拔。

如果将本发明包括的三种电路进行其它的连接关系设计，例如：将信号隔离电路、TVS泻放电路和箝位电路分别作为第一级、第二级和第三级电路，或将TVS泻放电路、箝位电路和信号隔离电路分别作为第一级、第二级和第三级电路，则达不到本发明的目的，即，满足电快速瞬变脉冲群抗扰性试验、雷击浪涌抗扰性等试验的4级标准。可以看出，本发明对三种电路进行的连接关系设计，并非是随意的连接关系设计，而是经过仔细地考虑，创造性地劳动，并经过严格的试验证明的。

本发明所述的3级保护电路也可以如图5所示。与图4所示的保护电路相比，在该电路的第3级箝位电路中，省略了两条差分线之间的箝位二极管，其它都相同，这里不再对该保护电路的连接关系进行重复说明。

在某些环境较好、保护等级要求较低的场合，也可以将本发明的3级保护电路简化为2级保护电路，该保护电路如图6所示。与3级保护电路相比，2级保护电路仅省略了TVS泻放电路，这里不再对2级保护电路的连接关系进行重复说明。

其中，对图6所示的保护电路中的箝位电路同样可以进行简化，如图7所示。与图6所示的保护电路相比，在该电路的箝位电路中，省略了两条差分线之间的箝位二极管，其它都相同，这里不再对该保护电路的连接关系进行重复说明。

上述RS-485接口的差分信号线既可以是用于接收的信号线也可以是用于发送的信号线。

在使用本发明的保护电路时，应该将各保护器件尽量靠近信号线，同时应该保证“地”的通畅。保护器件到地的连线应该尽量的宽，尽量的短。其它电路和信号线应该远离保护电路，以避免其它电路和信号线对保护电路的干扰。

虽然在上述实施例中都是以RS-485接口为例对本发明所述的接口保护电路进行的说明，但本领域技术人员可以很容易地想到，所述保护电路的原理同样可以应用到其它接口，只要在设计保护电路时，根据其它接口的特性选择合适的器件即可，这里不再针对其它接口进行重复说明了。

以上所述的实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种接口保护电路，包括在外部接口和受保护的接口之间通过信号线依次串联的瞬态电压抑制TVS泻放电路和信号隔离电路，其特征在于，在信号隔离电路和受保护的接口之间还串联有箝位电路。

2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述受保护的接口是RS-485接口。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述TVS泻放电路包括两个TVS双向二极管，所述外部RS-485接口的差分信号线分别通过一个TVS双向二极管和地连接。

4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述信号隔离电路包括一个共模电感，所述外部RS-485接口的差分信号线和受保护的RS-485接口的差分信号线通过共模电感连接。

5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述信号隔离电路包括两个电阻，所述外部RS-485接口的差分信号线和受保护的RS-485接口的差分信号线分别通过一个电阻连接。

6.根据权利要求2至5任意一项所述的电路，其特征在于，所述箝位电路包括三个箝位二极管，所述受保护的RS-485接口的差分信号线分别通过一个箝位二极管和地连接，所述RS-485接口的差分信号线之间通过一个箝位二极管连接。

7.根据权利要求2至5任意一项所述的电路，其特征在于，所述箝位电路包括两个箝位二极管，所述受保护的RS-485接口的差分信号线分别通过一个箝位二极管和地连接。

8.一种接口保护电路，包括在外部接口和受保护的接口之间通过信号线串联的信号隔离电路，其特征在于，在信号隔离电路和受保护的接口之间还串联有箝位电路。

9.根据权利要求8所述的保护电路，其特征在于，所述受保护的接口是RS-485接口。

10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，所述信号隔离电路包括一个共模电感，所述外部RS-485接口的差分信号线和受保护的RS-485接口的差分信号线通过共模电感连接。

11.根据权利要求9或10所述的电路，其特征在于，所述箝位电路包括三个箝位二极管，所述受保护的RS-485接口的差分信号线分别通过一个箝位二极管和地连接，所述RS-485接口的差分信号线之间通过一个箝位二极管连接。

12.根据权利要求9或10所述的电路，其特征在于，所述箝位电路包括两个箝位二极管，所述受保护的RS-485接口的差分信号线分别通过一个箝位二极管和地连接。