常用的防浪涌電路有三種方案:
一、利用傳統(tǒng)的防雷元器件組合成防浪涌電路,例如TVS管(瞬態(tài)抑制二極管),氣體放電管,PTC(熱敏電阻)等。這些防雷元器件的價(jià)格都很低。
二、光耦合電路。(光隔離器件,價(jià)格較低,TPL521-4價(jià)格為2元左右。)
三、磁耦合電路。磁隔離是ADI公司iCoupler專利技術(shù),是基于芯片級(jí)變壓器的隔離技術(shù)。利用該公司生產(chǎn)的相關(guān)芯片可以大大簡化電路,減少PCB的面積。(adm2483的價(jià)格在10元左右,adm3251e的價(jià)格在10元~20元之間。)
浪涌的來源:浪涌通常由自然界的雷電、電源系統(tǒng)(特別是帶很重的感性負(fù)載)開關(guān)切換時(shí)引起的,浪涌的產(chǎn)生將帶來能量巨大的瞬變過壓或過流,例如感應(yīng)雷在RS-485傳輸線上引起的瞬變干擾,其能量可在瞬間燒毀連結(jié)傳輸線上的全部器件。
通常所說的防浪涌,有兩個(gè)耐壓指標(biāo),一個(gè)是共模,一個(gè)是差模。自然界雷電或大電流切換時(shí)產(chǎn)生的浪涌一般認(rèn)為是共模的,而差模形式的浪涌往往是由于數(shù)據(jù)電纜附近有高壓線經(jīng)過,數(shù)據(jù)電纜與高壓線之間因絕緣不良而產(chǎn)生的,雖然后者比前者產(chǎn)生的電壓和電流要小得多,但它不像前者那樣只維持很短的幾毫秒,而會(huì)在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中較長時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地存在。光耦或磁耦器件標(biāo)稱的耐壓是共模,也就是前端到后端之間的耐壓。如果超過這個(gè)耐壓,前端后端都一起燒壞;器件不會(huì)標(biāo)稱差模的耐壓,這個(gè)由電路的設(shè)計(jì)來決定,如果超過這個(gè)耐壓,前端燒壞,后端不會(huì)燒壞。
防浪涌電路通常分為隔離法和規(guī)避法:
一、隔離法
光耦合(需要隔離電源)
光耦合器(optical coupler,OC)亦稱光電隔離器,簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用,所以,它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成:光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管(LED),使之發(fā)出一定波長的光,被光探測器接收而產(chǎn)生光電流,再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。
只要浪涌產(chǎn)生的電壓幅值不超過光耦器件標(biāo)稱的值(通常為2500V),光耦就不會(huì)損壞,即使浪涌電壓長時(shí)間地存在也不會(huì)對(duì)被隔離的設(shè)備產(chǎn)生損害。值得注意的是,光耦一般只能抑制共模形式的浪涌,不能抑制差模形式的浪涌。光耦隔離在RS485或RS232通信中應(yīng)用很廣泛。使用光電隔離的優(yōu)勢是可以避免電氣或磁場的噪聲,而缺點(diǎn)是傳輸速度受限于LED的轉(zhuǎn)換速度、高功率散射以及磨損,而且還需要一個(gè)隔離型DC-DC電源。
二、磁耦合
磁耦基于ADI公司iCoupler磁隔離專利技術(shù)的隔離器件,也稱為次隔離器。由于磁耦的目的是將輸入和輸出信號(hào)隔離開來,所以變壓器初級(jí)端電路與變壓器次級(jí)端電路必須在隔離的芯片上。變壓器本身可以放置在任意芯片上。
以ADI公司的ADM2682E(適用于RS485)為例子來說明磁耦合在防浪涌中的作用。
ADM268E2是具備±15kV ESD保護(hù)功能的完全集成式5kV rm信號(hào)和電源隔離數(shù)據(jù)收發(fā)器,適合多點(diǎn)傳輸線路上的高速通信應(yīng)用。ADM2682E集成了一個(gè)5kV rms隔離DC/DC電源,省去了外部DC/DC隔離模塊。
與光耦相比,磁耦不僅僅少了一個(gè)隔離型DC-CD電源,還少了一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片,可大大減少PCB的面積。
二、規(guī)避法
主設(shè)備的地連在一起形成單點(diǎn)接地,一旦有浪涌出現(xiàn)就可以安全轉(zhuǎn)移浪涌能量,此外有必要增加一些抑制浪涌的器件。能將浪涌所產(chǎn)生的額有害電流在到達(dá)數(shù)據(jù)端口前泄放到地回路中去的器件,主要有TVS管、壓敏電阻、氣體放電管,它們都有一個(gè)鉗位電壓,一旦超過該鉗位電壓,器件就會(huì)在連接點(diǎn)之間產(chǎn)生一個(gè)低阻抗,從而轉(zhuǎn)移有害的電流,具體電路如下:
但這些器件由于轉(zhuǎn)移的能量很大而不能長時(shí)間維持。一般這些器件安裝在數(shù)據(jù)線與地之間,對(duì)于RS485或RS422系統(tǒng)來說,應(yīng)該選擇額定電壓為6~8V的器件,同時(shí),它們通常會(huì)給數(shù)據(jù)線帶來一些容性負(fù)載,因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)有必要考慮減少整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)線的長度。安裝器件時(shí)應(yīng)盡可能地靠近被保護(hù)的設(shè)備,另外,用戶必須保證被保護(hù)設(shè)備的接地點(diǎn)與地之間的阻抗非常小,而且接地點(diǎn)與地連接用的線最好又粗又短,若超出1m,應(yīng)使用銅帶線或編制電纜。
(1)單級(jí)防護(hù)
數(shù)據(jù)線只需接一個(gè)TVS。
(2)三級(jí)防護(hù)
第一級(jí)是氣體放電管,可泄放大電流,由于浪涌同時(shí)產(chǎn)生非常高的尖峰電壓,氣體放電管太慢不能保護(hù)后面的固態(tài)電路;第二級(jí)是小電阻,一方面可限流,另一方面在第一級(jí)與第三級(jí)產(chǎn)生一個(gè)壓降;第三級(jí)是TVS管,可足夠快地保護(hù)后面的固態(tài)電路,將電壓鉗位在一個(gè)安全的水平,從而保護(hù)數(shù)據(jù)線。
若將隔離法與規(guī)避法相結(jié)合,則可更好地保護(hù)系統(tǒng),具體電路如上圖。圖中,信號(hào)地與大地是連接的,有了隔離器件就可使主設(shè)備不受接地點(diǎn)上可能產(chǎn)生的電壓降的影響。另外,規(guī)避器件一方面可抑制浪涌保護(hù)隔離器件,另一方面也可抑制數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生的差模形式的浪涌。圖8中,信號(hào)地未與大地連接,規(guī)避器件可抑制數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生的差模形式的浪涌,同時(shí)差模形式的浪涌被平衡轉(zhuǎn)化成共模形式的浪涌,隔離器件正好可抑制它,從而保護(hù)主設(shè)備。
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原文標(biāo)題:20180404--防浪涌電路調(diào)研總結(jié)
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