CN201417941Y - 一种接口防护电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种接口防护电路，应用于RS485接口和RS422接口；该电路包括：GDT单元、TVS单元和两个电阻；GDT单元位于靠近接口连接器的一侧，并接在接口中两差分信号线之间；所述TVS单元位于靠近接口IC器件的一侧，包括第一TVS管、第二TVS管和由4个二极管构成的整流桥，二极管的结电容小于TVS管的结电容；整流桥的两输入端分别连接所述两差分信号线；整流桥的正输出端通过所述第一TVS管接地，整流桥的负输出端通过所述第二TVS管接地。所述两个电阻位于所述GDT单元和所述TVS单元之间，分别串接于所述两差分信号线上。使用本实用新型能够在提供防护能力的同时，降低信号线的结电容。
Description
技术领域
本实用新型涉及接口防护技术，具体涉及应用于RS482和RS422接口的接口防护电路。
背景技术
RS422和RS485总线因其抗噪声干扰性能强，通信距离远，控制简单，被广泛地应用于工业控制、过程控制、电力系统以及要求较远距离信号传输的远程互联等技术领域。
RS422和RS485接口在恶劣环境中使用会向设备引入过电压或过电流。为了将过电压和过电流及时泄放掉，从而将过电压和过电流隔离在设备之外，可以在接口中设置接口防护电路，为被保护接口提供过压、过流防护。
图1为RS485接口中具有过压防护能力的接口防护电路结构图。如图1所示，该接口防护电路设置在接口中的接口连接器与接口集成芯片(IC)器件之间，该接口防护电路包括3大部分，分别是气体放电管(GDT)单元11、去耦单元12和瞬态电压抑制器(TVS，Transient Voltage Suppressor)单元13。
其中，GDT单元11位于靠近接口连接器的一侧，并接在RS485接口的两差分信号线之间，两条差分信号线分别为RS485+和RS485-。GDT单元11包括3个GDT，分别为GDT1、GDT2和GDT3。GDT1连接在RS485+和RS485-之间，当RS485+和RS485-之间的电压大于GDT1的直流击穿电压时，GDT1被击穿，从而为两差分信号线间的过电压提供泄放路径；GDT2连接在RS485+与参考地之间，当RS485+与参考地之间的电压大于GDT2的直流击穿电压时，GDT2被击穿，从而为RS485+信号线上的过电压提供泄放路径；同理，GDT3连接在RS485-与参考地之间，为RS485-信号线上的过电压提供泄放路径。可见，GDT单元11的作用是为过电压提供泄放路径，这些过电压通常称为浪涌电压。
TVS单元13位于靠近接口IC器件的一侧，并接在两差分信号线之间。TVS单元13包括2个TVS，分别为TVS1和TVS2。TVS单元13的作用是在GDT动作并起到保护作用之前为浪涌电压提供泄放路径，保护后面的接口IC器件。与上述GDT2和GDT3提供泄放路由的原理相同，TVS1和TVS2为RS485+与参考地之间以及RS485-与参考地之间的较高电压提供泄放路径。
GDT单元11与TVS单元13的响应时间不同，TVS单元13响应快，GDT单元11响应慢，为了令GDT单元11与TVS单元13相配合，在这两个单元之间设置去耦单元12。去耦单元12包括2个去耦电阻R1和R2，分别串接在GDT单元11与TVS单元13之间的两差分信号线上。
图2为RS485接口中具有过压和过流防护能力的接口防护电路结构图。如图2所示，该接口防护电路设置在接口中的接口连接器与接口IC器件之间，包括4大部分，分别是正温度系数(PTC，Positive Temperature Coefficient)热敏电阻单元24、GDT单元21、去耦单元22和TVS单元23。与图1相比，图2的接口防护电路增加了PTC热敏电阻单元24，简称PTC单元24。该PTC单元24包括两个PTC热敏电阻PTC1和PTC2，这两个PTC分别串接在接口连接器与GDT单元21之间的差分信号线上。
PTC是一种具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度(居里温度)时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。当某个GDT或TVS被击穿产生泄放路径时，泄放路径中的电流急剧增大，可能会造成泄放路径上的元件损伤。因此在泄放路径上设置PTC，PTC会在电流急剧增大时产生大电阻，使得通过PTC的电流急剧降低，从而令通过PTC的电流值保持在RS485接口中各组件能够承受的范围内。可见，由于PTC的存在使得图2的接口防护电路具有过流防护能力。
图2中的GDT单元21、去耦单元22与图1中的同名单元相同。TVS单元23比TVS13多了一个并接在RS485+与RS485-之间的TVS1，为RS485+与RS485-之间的较高电压提供泄放路径，从而提供更为全面的过压防护。
但目前的过压防护电路，以及过压和过流防护电路存在以下缺陷：
首先，如图1和图2所示，TVS单元中的TVS直接连接在差分信号线上，TVS的结电容比较大，图1和图2中的TVS为双向防护TVS，其结电容为2000pF。那么图1和图2中的信号线对地的结电容为2000pF。当差分信号线中通过速率较高的信号时，信号线对地和信号线之间的较大结电容会影响信号质量。
其次，当信号线上出现低于GDT直流击穿电压的过电压时，GDT不动作，过电压以及产生的过电流流过去耦电阻，并通过TVS管泄放，存在电流烧毁去耦电阻的隐患。
另外，现有的接口防护电路中至少包括3片GDT、2片去耦电阻和3片TVS管，器件较多，且多为插装器件，占用空间大，影响电路板布局，制约产品的小型化。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种接口防护电路，应用于RS485和RS422接口，能在提供防护能力的同时，降低信号线的结电容。
该接口防护电路设置在接口连接器与接口IC器件之间；该电路包括：气体放电管GDT单元、瞬态电压抑制器TVS单元和两个电阻；
所述GDT单元位于靠近接口连接器的一侧，所述GDT单元并接在接口中两差分信号线之间；
所述TVS单元位于靠近接口IC器件的一侧，包括第一TVS管、第二TVS管和由4个二极管构成的整流桥，所述二极管的结电容小于TVS管的结电容；所述整流桥的两输入端分别连接所述两差分信号线；所述整流桥的正输出端通过所述第一TVS管接地，所述整流桥的负输出端通过所述第二TVS管接地。
所述两个电阻位于所述GDT单元和所述TVS单元之间，分别串接于所述两差分信号线上。
在一个实施例中，所述电阻可以为正温度系数PTC热敏电阻。
在另一个实施例中，所述电阻为去耦电阻。
在所述电阻为去耦电阻的情况下，所述接口连接器和所述GDT单元之间的每个差分信号线上分别串接一PTC热敏电阻。
或者，所述GDT单元与所述TVS单元之间的每个差分信号线上分别串接一PTC热敏电阻。
所述第一TVS管和第二TVS管为单向防护TVS管时，
所述整流桥的正输出端连接第一TVS管的负极，所述整流桥的负输出端连接第二TVS管的正极，第一TVS管的正极和第二TVS管的负极接地。
较佳地，所述GDT单元中每个GDT的直流击穿电压为大于或等于420V。
较佳地，所述GDT单元为三端表贴的GDT器件，该三端表贴的GDT器件的中间级接地，两端级分别接所述两差分信号线。
较佳地，当接口中包括n对差分信号线时，针对每对差分信号线设置一套所述接口防护电路，n套接口防护电路共用所述第一TVS管和第二TVS管，n为大于或等于2的整数。
根据以上技术方案可见，该方案具有如下优点：
首先，本实用新型采用由二极管构成的整流桥+TVS管的结构作为TVS单元，使得任意一根差分信号线与地之间不仅连接有TVS管，还包括与TVS管串接的二极管。二极管的结电容小于TVS管的结电容，那么二极管与TVS管串接联，串联结电容小于二极管的结电容，从而大大降低了差分信号线对地的结电容，最大程度地避免了结电容对信号质量的影响。
其次，本实用新型将PTC单元设置在GDT单元和TVS单元之间，使得PTC单元不仅提供过流保护，还兼任去耦电阻，从而省略了专门的去耦电阻，使得接口防护电路成本得以降低，且器件的减少有利于产品的小型化。
进一步地，GDT单元采用直流击穿电压为420V的GDT元件，420V与民用交流220V电源之间有一定的余量，即便电源波动或GDT元件参数存在误差，也能够有效地保证线路引入交流220V电源时GDT不导通，而是通过二极管+TVS管的路径实现过压瞬间的电流泄放，从而避免民用交流220V电源短路。
此外，当接口包括n对差分信号线时，n对差分信号线可以共用TVS管，进一步降低了接口防护电路的成本，有利于产品的小型化。
附图说明
图1为现有技术中具有过压防护能力的接口防护电路结构图。
图2为现有技术中具有过压和过流防护能力的接口防护电路结构图。
图3为本实用新型实施例一中接口防护电路的结构示意图。
图4为本实用新型实施例二中接口防护电路的结构示意图。
图5为本实用新型实施例三中接口防护电路的结构示意图。
图6为本实用新型实施例四中接口防护电路的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型提供了一种接口防护电路方案。为了解决差分信号线对地结电容过大的问题，该方案采用由二极管构成的整流桥连接TVS管的结构作为TVS单元，使得任意一根差分信号线与地之间不仅连接有TVS管，还包括与TVS管串接的二极管。二极管的结电容小于TVS管的结电容，二极管与TVS管串联后，串联结电容小于二极管的结电容，从而大大降低了差分信号线对地的结电容，最大程度地避免了结电容对信号质量的影响。
本实用新型的接口防护电路适用于RS485接口和RS422接口。下面以RS485接口为例，举多个实施例对本实用新型的方案进行详细说明。
实施例一
图3为实施例一中接口防护电路的结构示意图。该接口防护电路提供过压防护和过流防护。如图3所示，该接口防护电路设置在RS485接口的接口连接器与接口IC器件之间，该接口防护电路包括GDT单元31、PTC单元32和TVS单元33。其中，
GDT单元31位于靠近接口连接器的一侧，且并接RS485+信号线与RS485-信号线之间。本实施例中，GDT单元31采用一个三端表贴的GDT器件实现。三端表贴的GDT器件的中间级接地，两端级(A和B)分别接RS485+信号线和RS485-信号线。该三端表贴GDT器件是集成器件，其功能与现有技术GDT单元中三个分离的GDT的组合功能相同。采用表贴器件的好处是体积小，可以有效地缩小整个接口防护电路所占的空间，有利于电路小型化。当然，如果不考虑器件大小，也可以采用现有GDT单元的结构。
PTC单元32位于GDT单元31和TVS单元33之间，包括两个PTC热敏电阻，PTC1和PTC2。PTC1和PTC2分别串接于两差分信号线上。如图3所示，PTC1串接在RS485+信号线上，PTC2串接在RS485-信号线上。
PTC单元32不仅提供过流保护，还作为去耦电阻令GDT单元31和TVS单元33配合动作，从而避免了去耦电阻的使用。当信号线上出现低于GDT直流击穿电压的过电压时，GDT不动作，过电压以及产生的过电流流过PTC单元32，并通过TVS单元泄放。由于PTC单元32中的热敏电阻具有过流防护能力，当过电流通过时，热敏电阻阻值急剧增大，电阻增大导致通过热敏电阻的电流急剧降低，因此不会出现现有技术中烧毁去耦电阻的情况，而且能够避免将过电压和过电流引入接口IC器件。
TVS单元33位于靠近接口IC器件的一例，其采用整流桥+TVS管的结构，具体包括一个由4个二极管构成的整流桥和两个单向防护的TVS管，这两个TVS管记为TVS1和TVS2。
整流桥的结构为已知结构，具体来说整流桥包括4个二极管，分别为D1、D2、D3和D4。D1和D2的阴极相连，D3与D4的阳极相连；D1的阳极和D3的阴极相连，连接处为整流桥的一输入端；D2的阳极和D4的阴极相连，连接处为整流桥的另一输入端；D1和D2的连接处为整流桥的正输出端(+)；D3和D4的连接处为整流桥的负输出端(-)。
在本实施例中，整流桥并接于差分信号线之间，即两个输入端分别连接RS485+信号线和RS485-信号线；整流桥的正输出端(+)连接TVS1的阴极，整流桥的负输出端(-)连接TVS2的阳极，TVS1的阳极和TVS2的阴极分别接地。
当RS485+信号线上出现正的过电压(该过电压的幅值在GDT的击穿电压和TVS的反向击穿电压之间)时，通过D1和TVS1泄放，当RS485+信号线上出现负的过电压时，通过TVS2和D3泄放，当RS485-信号线上出现正的过电压时，通过D2和TVS1泄放，RS485-信号线上出现负的过电压是，通过TVS2和D4泄放。
而且，由于整流桥的加入可以有效地降低RS485+信号线和RS485-信号线对地的结电容。如图3所示，RS485+信号线与GND之间，RS485-信号线与GND之间，均通过串接在一起的一个二极管和一个TVS相连，二极管的结电容很小，通常为几十pF，无论TVS的结电容为2000pF甚至更高，二极管和TVS串联后，得到的串联结电容均小于二极管的结电容，从而大大降低了TVS33单元对信号质量的影响。
在器件选用方面，GDT单元31中的GDT元件可以采用直流击穿电压为230V的GDT。因为民用电源为交流220V，当线路引入交流220V的强过压时，直流击穿电压为230V的GDT不会导通，从而避免220V电源短路带来的严重后果。但是GDT的标称直流击穿电压本身存在一定制造公差，而且220V电源也可能产生波动，因此采用直流击穿电压为230V的GDT并不能严格保证线路引入220V电压时GDT不导通。
因此，较佳地，本实施例采用直流击穿电压为420V的GDT，420V与220V之间有一定的余量，即便电压波动，器件参数存在误差，也能够有效地保证线路引入交流220V电源时GDT不导通，而是通过二极管+TVS管的路径将过压瞬间的电流泄放至地。当GDT采用三端表贴器件时，可以选择Bencent公司B3D420L型号的GDT。
PTC单元32中的PTC热敏电阻可以按照常规选用。例如选择保持电流为110mA、额定零功率电阻为10Ω、冲击电压为250V的PTC热敏电阻。
TVS单元33中的二极管和TVS管可以按照常规选择。如果采用现有技术的接口防护电路，假设对于某一选定的TVS管，在频率1MHz，幅值1V，反向偏置电压1V情况下测试，其结电容Cp＝1600pF；在反向偏置电压0V下测试，其结电容Cp＝2600pF。而采用本实用新型的整流桥+TVS管的结构后，信号线对地的结电容为：在频率1MHz，幅值1V，反向偏置电压1V情况下测试，Cp＝26pF；反向偏置电压0V下测试，其结电容Cp＝14pF。显然，采用整流桥+TVS管的结构，结电容明显降低。
在实际中，TVS1和TVS2也可以采用双向防护的TVS管，则整流桥的正输出端(+)通过TVS1接地，负输出端(-)通过TVS2接地即可。
实施例二
图4为实施例二中接口防护电路的结构示意图。该接口防护电路提供过压防护和过流防护。如图4所示，与实施例一相比，本实施例的接口防护电路不仅包括GDT单元41、PTC单元40和TVS单元43，还进一步包括去耦单元42。其中，GDT单元41和TVS单元43与实施例一中同名单元的结构和器件选用方式相同。
与实施例二不同之处在于，本实施例的PTC单元40设置在接口连接器与GDT单元41之间，PTC单元40中的两个PTC热敏电阻分别串接于接口连接器与GDT单元41之间的两差分信号线上。
由于PTC单元的位置的改变，使得GDT单元41和TVS单元43之间缺少了去耦电阻的配合，因此本实施例进一步包括的去耦单元42设置在GDT单元41和TVS单元43之间，去耦单元42中的两个去耦电阻R1和R2分别串接于GDT单元41和TVS单元43之间的两差分信号线上。去耦电阻可以是绕线电阻，阻值例如选择10Ω。
在实际中，PTC单元40也可以设置在GDT单元41与去耦单元42之间，即在GDT单元41与去耦单元42之间的每个差分信号线上分别串接一PTC热敏电阻；或者PTC单元40也可以设置在去耦单元42与TVS单元43之间，即在去耦单元42与TVS单元43之间的每个差分信号线上分别串接一PTC热敏电阻。
实施例三
图5为实施例三中接口防护电路的结构示意图。该接口防护电路仅提供过压防护。如图5所示，本实施例的接口防护电路包括GDT单元51、去耦单元52和TVS单元53，这三个单元与实施例二中同名单元的结构和器件选用方式相同。本实施例的接口防护电路与现有技术中仅提供过压防护的接口防护电路相比，具有结电容小的优势。
实施例四
以上三个实施例中的接口防护电路均是针对一对差分信号线进行的防护设计。在需要对n(n为大于或等于2的整数)对差分信号线做过压过流防护时，可以在每对差分信号线上设置一套接口防护电路。每套接口防护电路的结构可以相同，或者根据不同需求选择实施例一、实施例二和实施例三所述接口防护电路的任意一种。
为了能够进一步节省成本，不同对差分信号线的接口防护电路可以共用TVS管。例如在支持全双工通信场合下，对2对差分信号线进行过压过流防护，则这2对差分信号线可以共用2个TVS管。
图6为本实施例四中对2对差分信号线进行过压过流防护的接口防护电路结构图。图6中针对每一对差分信号线设置的接口防护电路采用实施例一所述PTC单元在GDT单元和TVS单元之间的方案，不仅能够实现过压和过流防护，而且可以节省成本。如图6所示，两套接口防护电路使用各自的GDT单元、PTC单元和整流桥，共用TVS1和TVS2。
综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1、一种接口防护电路，应用于RS485接口和RS422接口；该接口防护电路设置在接口连接器与接口IC器件之间；其特征在于，该电路包括：气体放电管GDT单元、瞬态电压抑制器TVS单元和两个电阻；
所述GDT单元位于靠近接口连接器的一侧，所述GDT单元并接在接口中两差分信号线之间；
所述TVS单元位于靠近接口IC器件的一侧，包括第一TVS管、第二TVS管和由4个二极管构成的整流桥，所述二极管的结电容小于TVS管的结电容；所述整流桥的两输入端分别连接所述两差分信号线；所述整流桥的正输出端通过所述第一TVS管接地，所述整流桥的负输出端通过所述第二TVS管接地；
所述两个电阻位于所述GDT单元和所述TVS单元之间，分别串接于所述两差分信号线上。
2、如权利要求1所述的接口防护电路，其特征在于，所述电阻为正温度系数PTC热敏电阻。
3、如权利要求1所述的接口防护电路，其特征在于，所述电阻为去耦电阻。
4、如权利要求3所述的接口防护电路，其特征在于，所述接口连接器和所述GDT单元之间的每个差分信号线上分别串接一PTC热敏电阻。
5、如权利要求3所述的接口防护电路，其特征在于，所述GDT单元与所述TVS单元之间的每个差分信号线上分别串接一PTC热敏电阻。
6、如权利要求1所述的接口防护电路，其特征在于，所述第一TVS管和第二TVS管为单向防护TVS管；
所述整流桥的正输出端连接第一TVS管的负极，所述整流桥的负输出端连接第二TVS管的正极，第一TVS管的正极和第二TVS管的负极接地。
7、如权利要求1所述的接口防护电路，其特征在于，所述GDT单元中每个GDT的直流击穿电压为大于或等于420V。
8、如权利要求1至7任意一项所述的接口防护电路，其特征在于，所述GDT单元为三端表贴的GDT器件，该三端表贴的GDT器件的中间级接地，两端级分别接所述两差分信号线。
9、如权利要求1至7任意一项所述的接口防护电路，其特征在于，当接口中包括n对差分信号线时，针对每对差分信号线设置一套所述接口防护电路，n套接口防护电路共用所述第一TVS管和第二TVS管，n为大于或等于2的整数。
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