CN103515942B - 通信接口的防护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通信接口的防护电路。所述电路，包括：依次相连的一第一级防护电路、一第二级防护电路和一第三级防护电路，其中：第一级防护电路，包括一电流泄放电路，其中电流泄放电路包括三个连接端，第一连接端与RS‑485端口的两条信号线中的第一信号线相连，第二连接端与RS‑485端口的两条信号线中的第二信号线相连，第三连接端接保护地；第二级防护电路包括一第一限流电阻、一第二限流电阻和一双向瞬态抑制二极管；第三级防护电路包括一电压泄放电路，其中电压泄放电路接通信地，且一端与RS‑485端口的两条信号线相连，另一端与RS‑485的收发器相连。

Description

通信接口的防护电路
技术领域
本发明涉及电子电路领域，尤其涉及一种通信接口的防护电路。
背景技术
RS-485作为传统的工业通信总线，采用平衡发送和差分接收，抑制共模干扰的能力强，传输距离较远，可用于多点互联，成本低等优点，广泛应用于各种工业控制现场。由于工业现场环境恶劣，RS-485端口一般都要有防护电路，保障设备免受雷击、浪涌、静电的影响。
现有的RS-485端口的防护电路中，根据实际应用场合，大部分采用限流器件加瞬态抑制二极管进行简单的防浪涌、防静电级别处理，防护能力较弱。也有部分采用前级RS-485端口入口处两线分别通过一气体放电管接保护地，再两线上分别串接一个正温度系数电阻(Positive Temperature Coefficient，PTC)，后级两线分别通过双向或者单向的瞬态抑制二极管(Transient Voltage Suppressor，TVS)接保护地，其后就是线间双向TVS，这种较强防护结构。
实际应用中，由于现场保护地接地环境的差异，造成保护地与实际的大地存在压差，这种较强防护结构电路就不一定能够对雷击、浪涌等进行有效的抑制，后级信号线对地瞬态抑制二极管击穿电压很低，一般只有几伏，很容易出现保护地电压抬升击穿，从而损坏RS-485通信端口的情况。
发明内容
本发明提供一种通信接口的防护电路，要解决的技术问题是在不影响该通信接口传输性能的前提下，对设备的RS-485端口进行防雷、防浪涌、防静电等综合防护保护。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种通信接口的防护电路，包括依次相连的一第一级防护电路、一第二级防护电路和一第三级防护电路，其中：
所述第一级防护电路，包括一电流泄放电路，其中所述电流泄放电路包括三个连接端，第一连接端与RS-485端口的两条信号线中的第一信号线相连，第二连接端与RS-485端口的两条信号线中的第二信号线相连，第三连接端接保护地，用于在RS-485端口受到电压入侵时，将产生的电流引入到地面；
所述第二级防护电路包括一第一限流电阻、一第二限流电阻和一双向瞬态抑制二极管，其中所述第一限流电阻与所述第一信号线相连；第二限流电阻与所述第二信号线相连，与第一限流电阻相连后的第一信号线和与第二限流电阻相连后的第二信号之间并联所述双向瞬态抑制二极管；
所述第三级防护电路包括一电压泄放电路，其中所述电压泄放电路接通信地，且一端与RS-485端口的两条信号线相连，另一端与RS-485的收发器相连，用于为第二级防护电路和RS-485的收发器之间的电压提供电压泄放通路。
优选的，所述电路还具有如下特点：所述电流泄放电路为如下任一一种，包括：
方式一：RS-485的信号线对保护地的三极气体放电管；
方式二：RS-485的信号线对保护地的二级气体放电管。
优选的，所述电路还具有如下特点：所述三极气体放电管和所述二级气体放电管的击穿电压为30～150伏。
优选的，所述电路还具有如下特点：所述三极气体放电管和所述二级气体放电管的击穿电压为90。
优选的，所述电路还具有如下特点：所述电压泄放电路为如下任一一种，包括：
方式一：两个二端双向瞬态抑制二极管，其中一个的一端与第一信号线相连，另一端连接通信地；另一个的一端与第二信号线相连，另一端也连接通信地；
方式二：三端双单向瞬态抑制二极管和二端单向瞬态抑制二极管，其中三端单向瞬态抑制二极管的两个非公共端中一个与第一信号线相连，另一个与第二信号线相连，所述二端单向瞬态抑制二极管的一端连接在三端单向瞬态抑制二极管的公共端，另一端连接通信地。
优选的，所述电路还具有如下特点：所述二端双向态抑制二极管、三端双单向瞬态抑制二极管以及二端单向瞬态抑制二极管的击穿电压为5～7伏。
优选的，所述电路还具有如下特点：所述二端双向态抑制二极管、三端双单向瞬态抑制二极管以及二端单向瞬态抑制二极管的击穿电压为6.45伏。
优选的，所述电路还具有如下特点：所述第一限流电阻和第二限流电阻为欧姆级功率限流电阻。
优选的，所述电路还具有如下特点：所述第一限流电阻和第二限流电阻的大小均为10～30欧姆。
优选的，所述电路还具有如下特点：所述第一限流电阻和第二限流电阻的大小均为20欧姆。
优选的，所述电路还具有如下特点：所述保护地与所述通信地是电气隔离的。
本发明提供的实施例，通过第一级防护电路对进入RS-485端口的大部分能量进行泄放，然后由第二级对剩余的残压进行再处理，抑制干扰电流和吸收差模电压，通过两级处理将可能存在的大部分干扰去除，完成了主要防护功能；再通过第三级防护电路对上述两次处理剩余残压以及静电干扰进行处理，使得信号线上的传输恢复到正常状态(即未受到浪涌高电压入侵的情况)的传输功能，再传输给收发器，达到在不影响该通信接口传输性能的前提下，对设备的RS-485端口进行防雷、防浪涌、防静电等综合防护保护的目的。
附图说明
图1为本发明提供的通信接口的防护电路的应用实例1的结构示意图；
图2为本发明提供的通信接口的防护电路的应用实例2的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明提供的通信接口的防护电路实施例的结构示意图。所述电路实施例，包括依次相连的一第一级防护电路、一第二级防护电路和第三级防护电路，其中：
所述第一级防护电路，包括一电流泄放电路，其中所述电流泄放电路包括三个连接端，第一连接端与RS-485端口的两条信号线中的第一信号线相连，第二连接端与RS-485端口的两条信号线中的第二信号线相连，第三连接端接保护地，用于在RS-485端口受到电压入侵时，将产生的电流引入到地面；
所述第二级防护电路包括一第一限流电阻、一第二限流电阻和一双向瞬态抑制二极管，其中所述第一限流电阻与所述第一信号线相连；第二限流电阻与所述第二信号线相连，与第一限流电阻相连后的第一信号线和与第二限流电阻相连后的第二信号之间并联所述双向瞬态抑制二极管；
所述第三级防护电路包括一电压泄放电路，其中所述电压泄放电路接通信地，且一端与RS-485端口的两条信号线相连，另一端与RS-485的收发器相连，用于为第二级防护电路和RS-485的收发器之间的电压提供电压泄放通路。
对于上述电路，在RS-485入口处受到雷击感应或者其它干扰源产生的浪涌高电压入侵时，第一级防护电路提供大电流泄放通路流到保护地GNDP，雷击、浪涌的大部分能量从这里泄放到保护地，对于第一级防护电路未放电或放电后形成的残压，差模部分的电压会被第二级防护电路吸收；在被第二级防护电路处理后，因静电、前级残压及感应会产生干扰，影响RS-485收发器的工作，因此就需要由第三级防护电路通过电压泄放电路进行共模保护作用，消除上述干扰，保障RS-485的传输性能。
由此可以看出，通过第一级防护电路对进入RS-485端口的大部分能量进行泄放，然后由第二级对剩余的残压进行再处理，抑制干扰电流和吸收差模电压，通过两级处理将可能存在的大部分干扰去除，完成了主要防护功能；再通过第三级防护电路对上述两次处理剩余残压以及静电干扰进行处理，使得信号线上的传输恢复到正常状态(即未受到浪涌高电压入侵的情况)的传输功能，再传输给收发器，达到在不影响该通信接口传输性能的前提下，对设备的RS-485端口进行防雷、防浪涌、防静电等综合防护保护的目的。
进一步说明的是，上述电路中的限流电阻并不是现有技术中通常会使用的热敏电阻，之所以在上述电路中使用限流电阻，目的是对信号线上的浪涌电流进行限流，实现对RS-485端口短路保护和残压的抑制，而现有技术中的热敏电阻响应时间慢，无法达到上述效果的。
另外，上述电路中所使用的第三级防护电路中的电压泄放电路是接通讯地，与现有技术中的接保护地的做法不同，具体原因如下：
如果第三级防护电路中的电压泄放电路与第一级防护电路中的电流泄放电路同样都接保护地，进行雷击电流泄放时，会造成系统保护地的电压抬升；一旦保护地的电压升高，同样接保护地的第三级防护电路TVS会被击穿，烧坏RS-485收发器；通过将第三级防护电路中的电压泄放电路接通讯地，由于通讯地与保护地是电气隔离的，不存在保护地反压的问题，保证了RS-485收发器有安全的工作环境。
其中，所述电流泄放电路为如下任一一种，包括：
方式一：RS-485的信号线对保护地的三极气体放电管；
方式二：RS-485的信号线对保护地的二级气体放电管。
其中，所述三极气体放电管和所述二级气体放电管是大功率气体放电管，击穿电压较高，大概范围是30～150伏，本实施例中采用的为击穿电压为90V的气体放电管。
其中，所述电压泄放电路为如下任一一种，包括：
方式一：两个二端双向态抑制二极管，其中一个的一端与第一信号线相连，另一端连接通信地；另一个的一端与第二信号线相连，另一端也连接通信地；
方式二：三端双单向瞬态抑制二极管和二端单向瞬态抑制二极管，其中三端单向瞬态抑制二极管的两个非公共端中一个与第一信号线相连，另一个与第二信号线相连，所述二端单向瞬态抑制二极管的一端连接在三端单向瞬态抑制二极管的公共端，另一端连接通信地。
所述二端双向态抑制二极管、三端双单向瞬态抑制二极管以及二端单向瞬态抑制二极管为5～7伏，优选的，所述二端双向态抑制二极管、三端双单向瞬态抑制二极管以及二端单向瞬态抑制二极管为6.45伏。
其中，所述第一限流电阻和第二限流电阻为欧姆级功率限流电阻，大小均为10～30欧姆，本实施例中所述第一限流电阻和第二限流电阻的大小均为20欧姆。
下面对本发明提供的电路作进一步说明：
图1为本发明提供的通信接口的防护电路的应用实例1的结构示意图。在图1所示电路应用实例中，包括三极气体放电管FV1、电阻R1、电阻R2、双向瞬态抑制二极管VD1、双向瞬态抑制二极管VD2、双向瞬态抑制二极管VD3、RS-485收发器D1。
RS-485端口RS485A、RS485B信号线入口处分别通过三极气体放电管FV1接到保护地GNDP，构成第一级防护电路。所述RS485A信号线串联有一限流电阻R1、所述RS485B信号线也串联有一限流电阻R2，限流电阻后两线间并联一双向瞬态抑制二极管VD1，构成第二级防护电路。再串联一第三级防护电路，其中第三级防护电路包括在第二级防护电路与RS-485收发器D1之间A、B两信号线分别对通信地VSS的双向瞬态抑制二极管VD2、VD3，VD2、VD3，且上述靠近RS-485收发器D1的A、B引脚一端。
本实例电路的工作原理如下：RS-485入口处(RS485A、RS485B)受到雷击感应或者其它干扰源产生的浪涌高电压入侵时，放电管FV1提供大电流泄放通路流到保护地GNDP，雷击、浪涌的大部分能量从这里泄放到大地。同时放电管在未放电或放电后形成的残压通过后面的R1、R2、VD16进行吸收，R1、R2起到限流作用，可对RS-485端口短路保护和干扰的抑制。所述瞬态抑制二极管VD2、VD3构成的电路起到了对静电、前级残压及感应的干扰进行共模保护作用。
图2为本发明提供的通信接口的防护电路的应用实例2的结构示意图。图2所示电路应用实例的工作原理同实施例1，仅在结构上略有变动，主要区别有两点。首先，RS-485端口处，限流电阻R1、R2靠近RS-485接口输出端的RS485A、RS485B分别通过1个二极放电管FV2和FV3接保护地GNDP，另外，本实施例第三级的双向瞬态抑制电压泄放电路采用三端双单向瞬态抑制二极管VD4加一个二端单向瞬态抑制二极管VD5，二端单向瞬态抑制二极管的一端连接在三端单向瞬态抑制二极管的公共端，另一端连接到通信地VSS，组成A、B线分别对通信地VSS的双向瞬态电压泄放电路。
上述两个应用实例保护的电路可以通过冲击电流5KA，浪涌保护等级线线为±4KV，线地±6KV，在那些保护地GNDP接地不太良好的系统也能保证RS-485的正常工作。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种通信接口的防护电路，其特征在于，包括依次相连的一第一级防护电路、一第二级防护电路和一第三级防护电路，其中：
所述第一级防护电路，包括一电流泄放电路，其中所述电流泄放电路包括三个连接端，第一连接端与RS-485端口的两条信号线中的第一信号线相连，第二连接端与RS-485端口的两条信号线中的第二信号线相连，第三连接端接保护地，用于在RS-485端口受到电压入侵时，将产生的电流引入到地面；
所述第二级防护电路包括一第一限流电阻、一第二限流电阻和一双向瞬态抑制二极管，其中所述第一限流电阻与所述第一信号线相连；第二限流电阻与所述第二信号线相连，与第一限流电阻相连后的第一信号线和与第二限流电阻相连后的第二信号之间并联所述双向瞬态抑制二极管；
所述第三级防护电路包括一电压泄放电路，其中所述电压泄放电路接通信地，且一端与RS-485端口的两条信号线相连，另一端与RS-485的收发器相连，用于为第二级防护电路和RS-485的收发器之间的电压提供电压泄放通路；
所述电压泄放电路为如下任一一种，包括：
方式一：两个二端双向瞬态抑制二极管，其中一个的一端与第一信号线相连，另一端连接通信地；另一个的一端与第二信号线相连，另一端也连接通信地；
方式二：三端双单向瞬态抑制二极管和二端单向瞬态抑制二极管，其中三端双单向瞬态抑制二极管的两个非公共端中一个与第一信号线相连，另一个与第二信号线相连，所述二端单向瞬态抑制二极管的一端连接在三端双单向瞬态抑制二极管的公共端，另一端连接通信地；
所述保护地与所述通信地是电气隔离的。
2.根据权利要求1所述的通信接口的防护电路，其特征在于，所述电流泄放电路为如下任一一种，包括：
方式一：RS-485的信号线对保护地的三极气体放电管；
方式二：RS-485的信号线对保护地的二极气体放电管。
3.根据权利要求2所述的通信接口的防护电路，其特征在于，所述三极气体放电管和所述二极气体放电管的击穿电压为30～150伏。
4.根据权利要求3所述的通信接口的防护电路，其特征在于，所述三极气体放电管和所述二极气体放电管的击穿电压为90伏。
5.根据权利要求1所述的通信接口的防护电路，其特征在于，所述二端双向瞬态抑制二极管、三端双单向瞬态抑制二极管以及二端单向瞬态抑制二极管的击穿电压为5～7伏。
6.根据权利要求5所述的通信接口的防护电路，其特征在于，所述二端双向瞬态抑制二极管、三端双单向瞬态抑制二极管以及二端单向瞬态抑制二极管的击穿电压为6.45伏。
7.根据权利要求1所述的通信接口的防护电路，其特征在于，所述第一限流电阻和第二限流电阻为欧姆级功率限流电阻。
8.根据权利要求7所述的通信接口的防护电路，其特征在于，所述第一限流电阻和第二限流电阻的大小均为10～30欧姆。
9.根据权利要求8所述的通信接口的防护电路，其特征在于，所述第一限流电阻和第二限流电阻的大小均为20欧姆。
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