RS485接口6KV防雷電路設(shè)計方案

一.原理圖

1. RS485接口6KV防雷電路設(shè)計方案

圖1 RS485接口防雷電路

接口電路設(shè)計概述：

RS485用于設(shè)備與計算機或其它設(shè)備之間通訊，在產(chǎn)品應(yīng)用中其走線多與電源、功率信號等混合在一起，存在ＥＭＣ隱患。

本方案從EMC原理上，進(jìn)行了相關(guān)的抑制干擾和抗敏感度的設(shè)計，從設(shè)計層次解決EMC問題。

電路EMC設(shè)計說明：

（1） 電路濾波設(shè)計要點：

L1為共模電感，共模電感能夠?qū)λp共模干擾，對單板內(nèi)部的干擾以及外部的干擾都能抑制，能提高產(chǎn)品的抗干擾能力，同時也能減小通過429信號線對外的輻射，共模電感阻抗選擇范圍為120Ω/100MHz ~2200Ω/100MHz，典型值選取1000Ω/100MHz；

C1、C2為濾波電容，給干擾提供低阻抗的回流路徑，能有效減小對外的共模電流以同時對外界干擾能夠濾波；電容容值選取范圍為22PF~1000pF，典型值選取100pF；若信號線對金屬外殼有絕緣耐壓要求，那么差分線對地的兩個濾波電容需要考慮耐壓；

當(dāng)電路上有多個節(jié)點時要考慮降低或去掉濾波電容的值。C3為接口地和數(shù)字地之間的跨接電容，典型取值為1000pF， C3容值可根據(jù)測試情況進(jìn)行調(diào)整；

（2） 電路防雷設(shè)計要點：

為了達(dá)到IEC61000-4-5或GB17626.5標(biāo)準(zhǔn)，共模6KV，差摸2KV的防雷測試要求，D4為三端氣體放電管組成第一級防護(hù)電路，用于抑制線路上的共模以及差模浪涌干擾，防止干擾通過信號線影響下一級電路；

氣體放電管標(biāo)稱電壓VBRW要求大于13V，峰值電流IPP要求大于等于143A；

峰值功率WPP要求大于等于1859W；

PTC1、PTC2為熱敏電阻組成第二級防護(hù)電路，典型取值為10Ω/2W；

為保證氣體放電管能順利的導(dǎo)通，泄放大能量必須增加此電阻進(jìn)行分壓，確保大部分能量通過氣體放電管走掉；

D1~D3為TSS管（半導(dǎo)體放電管）組成第三級防護(hù)電路，TSS管標(biāo)稱電壓VBRW要求大于8V，峰值電流IPP要求大于等于143A；峰值功率WPP要求大于等于1144W；

接口電路設(shè)計備注：

如果設(shè)備為金屬外殼，同時單板可以獨立的劃分出接口地，那么金屬外殼與接口地直接電氣連接，且單板地與接口地通過1000pF電容相連；

如果設(shè)備為非金屬外殼，那么接口地PGND與單板數(shù)字地GND直接電氣連接。

二. PCB設(shè)計

1. RS485接口電路布局

圖1 RS485接口濾波及防護(hù)電路布局

方案特點：

（1）防護(hù)器件及濾波器件要靠近接口位置處擺放且要求擺放緊湊整齊，按照先防護(hù)后濾波的規(guī)則，走線時要盡量避免走線曲折的情況；

（2） 共模電感與跨接電容要置于隔離帶中。

方案分析：

（1）接口及接口濾波防護(hù)電路周邊不能走線且不能放置高速或敏感的器件；

（2） 隔離帶下面投影層要做掏空處理，禁止走線。

2. RS485接口電路分地設(shè)計

方案特點：

（1）為了抑制內(nèi)部單板噪聲通過RS485接口向外傳導(dǎo)輻射，也為了增強單板對外部干擾的抗擾能力，在RS485接口處增加濾波器件進(jìn)行抑制，以濾波器件位置大小為界，劃分出接口地；

（2）隔離帶中可以選擇性的增加電容作為兩者地之間的連接，電容C4、C5取值建議為1000pF，信號線上串聯(lián)共模電感CM與電容濾波，并與接口地并聯(lián)GDT和TVS管進(jìn)行防護(hù)；且所有防護(hù)器件都靠近接口放置，共模電感CM置于隔離帶內(nèi)，具體布局如圖示。

方案分析：

（1）當(dāng)接口與單板存在相容性較差或不相容的電路時，需要在接口與單板之間進(jìn)行“分地”處理，即根據(jù)不同的端口電壓、電平信號和傳輸速率來分別設(shè)置地線。“分地”，可以防止不相容電路的回流信號的疊加，防止公共地線阻抗耦合；

（2）“分地”現(xiàn)象會導(dǎo)致回流信號跨越隔離帶時阻抗變大，從而引起極大的EMC風(fēng)險，因此在隔離帶間通過電容來給信號提供回流路徑。