专利名称：Rs-485抄表通信电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种应用于电力负荷管理与电能量数据采集终端的RS-485 抄表通信电路。
背景技术：
电力负荷管理与电能量数据采集终端(以下简称"终端")的RS-485抄表 通信端口，是终端实现电能量数据采集的基础单元，对于终端RS485抄表通信 电路来说其安全可靠性是非常重要的。 一方面由于终端的RS-485通信网络采用 双绞线作传输线，传输线一般在室外架空或沿电缆沟敷设。在雷雨季节常发生 因雷电在传输线上引起瞬变干扰而损坏器件。并且RS-485网络拓扑通常采用一 条总线将各个节点串接起来，雷电引发的瞬变往往导致传输线上的多个RS-485 收发器损坏。其次，在终端现场施工和维护过程中，由于施工或维护人员的疏 忽，可能会将交流电源(如220VAC交流电压输入)误接入RS-485通信端口 ， 从而直接造成终端损坏。同时，在终端长期运营过程中，因为气候环境恶劣， RS-485通信线到交流电源的绝缘性能会下降甚至短接(例如RS-485通信线铜 皮裸露造成与交流电源的短接问题；或因为空气潮湿，RS-485通信端口与交流 电源的绝缘性能临时性下降)，从而导致RS-485通信端口甚至终端发生损坏。 所以，防交流电源接入措施也是终端RS-485抄表通信电路设计必须妥善处理的 问题。另外，终端运行的工况条件非常恶劣，尤其，终端周边设备通常为电力 设备或强电装置，其电磁干扰非常强烈。按照国家电力部行业相关标准和各地 终端招标技术条件，终端气候环境条件级别、电磁兼容(EMC)试验要求通产都 是各个级别中最严格的。例如终端气候环境条件为C3级别，则要求终端适应 的空气温度范围为-40 +70°C，相对湿度范围为10%RH 100%RH。终端的静电 放电抗扰度、高频干扰、电快速瞬变脉冲群抗扰度、高频振荡波抗扰度、浪涌 抗扰度等试验项目，均按其中最严格的级别进行要求。上述3个方面的问题现
3有技术中虽然也有不同程度的考虑，比如采用隔离电源系统、RS-485总线控制 芯片、光电隔离电路等，但可靠性仍然欠佳，没有全盘上述解决。因此如何才 能充分保证终端RS-485抄表通信电路的安全可靠性仍是目前亟待解决的问题。
本实用新型的目的在于提供一种安全可靠的用于电力负荷管理与电能量数 据采集终端的RS-485抄表通信电路。
本实用新型提供的这种RS-485抄表通信电路包括隔离电源系统、光电隔离 电路、RS-485总线控制芯片、RS-485接口， RS-485接口输入端通过两信号线 与RS-485总线控制芯片A、 B脚，其特征在于在RS-485总线控制芯片的前级还 有电流瞬变抑制电压瞬变钳制电路、防雷防交流电源接入防过流电路，其中防 雷防交流电源接入防过流电路包括分别并联在所述两信号线上并位于RS-485 接口输入端的两陶瓷气态放电管(Vl、 V2)、分别串联在所述两信号线上的热敏 电阻(Fl 、 F2)、跨接在所述两信号线之间的固态放电管(V3);所述电流瞬变 抑制电压瞬变钳制电路包括分别串联在所述两信号线上的电感(Ll、 L2)及两 电阻(Rl、 R2)、分别并联在所述两信号线上的二极管(V4 、 V6、 V5、 V7)、并 联在所述两信号线上各一的TVS管(V8、 V9)。
本实用新型的RS-485总线控制芯片及TVS管均采用有防静电保护功能类型的。
从本实用新型的技术方案可以看出，它具有四层保护电路，第一层保护电 路是防雷防交流电源接入防过流电路，当终端遇到雷击干扰时，该电路会迅速 将RS-485端口 A、 B信号线的电位钳位到正常水平上，并通过雪崩击穿状态的 放电管，将多余干扰能量迅速泄放到信号地回路，达到保护终端电路系统的目 的。当RS-485端口误接入交流电源情况时，相关保护电路会产生相应动作，利 用大电流下热敏电阻发热的特性迅速地将接入的交流电源承担下来，使终端内 部弱电部分与外部强电阻隔开，当RS-485端口外部输入的强电消失后，相关电 路的保护动作自动撤销，电路恢复到正常工作状态。第二层保护电路是电流瞬 变抑制电压瞬变钳制电路，主要解决大干扰信号经过第一层保护电路后的残余 干扰信号问题，同时，当RS-485端口输入电位超过正常幅度(但该电位还没有 使得放电管产生相应保护动作)，本层保护电路也将进行电压钳位保护，使RS-485端口在第二层保护电路中，其A、 B信号线电位保持在正常电位水平上。 第三层保护电路实际上是采用具备ESD保护功能的TVS管，主要作用是防静电、 脉冲群等瞬变干扰。由于经过本层保护电路之后，干扰信号将直接冲击RS-485 总线控制芯片，为保证本设计具有更高可靠性，所以在本层保护电路设计中， TVS管应优选专门面向ESD保护设计的器件，要求其动作速度应足够快速，防 止由于器件动作速度慢、保护动作响应不够及时，导致RS-485总线控制核心芯 片瞬间损坏。第四层保护电路主要由隔离电源系统、RS-485总线控制芯片和光 电隔离电路组成，本层保护电路中，RS-485总线控制芯片应优选自身具有抗ESD 保护的器件。另外，通过光电隔离电路，将RS-485端口的通信信号进行隔离， 保证了终端内部电路不直接受到干扰的冲击和不良影响。上述四层保护使本实 用新型电路的性能安全可靠，为电力负荷管理与电能量数据采集提供了可靠保 障。
图l是本实用新型的结构框图。
图2是本实用新型一个实施方式的电路图。
具体实施方式
从图1可以看出本实用新型仍然具有由隔离电源系统、RS-485总线控制芯 片和光电隔离电路组成保护电路，还有ESD保护电路、电流瞬变抑制电压瞬变 钳制电路、防雷防交流电源接入防过流电路。
从图2可以看出在RS-485接口输入端有两信号线与RS-485总线控制芯片 的A、 B脚连接，作为本实用新型的第一层保护电路是防雷防交流电源接入防过 流电路，该电路包括分别并联在所述两信号线上并位于RS-485接口输入端的两 陶瓷气态放电管V1、 V2;分别串联在所述两信号线上的热敏电阻F1、 F2;跨接 在所述两信号线之间的固态放电管V3，第二层保护电路是电流瞬变抑制电压瞬 变钳制电路，该电路包括分别串联在所述两信号线上的电感Ll、 L2及两电阻 Rl、 R2;分别并联在所述两信号线上的二极管(V4 、 V6、 V5、 V7);并联在所 述两信号线上各一的TVS管(V8、 V9)，其中二极管V4 、 V6分别与所述的两信 号线中的一根并联，二极管V5、 V7分别与另一根并联。在本实施方式中陶瓷气的型号为ARR-AM470L-CA8，其直流击穿电压为470V,耐 短路电流10kA。电感L1、 L2采用型号为LGA0410-102K，两TVS管V8、 V9采用 钳位电压为10V的双向TVS管SMBJ10CA。
防雷保护设计主要是两个陶瓷气态放电管V1、 V2。当这两个气态放电管发 生保护动作时，可以迅速转移大部分的瞬变能量，并且由于它没有分布电感或 电容，所以其通流容量极大，特别适合用于吸收直击雷和感应雷造成的巨大干 扰能量。不过，气态放电管的动作反应时间相对较慢(《100ns)，所以仍然会 有幅度达到或者超过20V的残压和瞬变电流串入到后级电路。如果外部雷击干 扰是长时间雷击(注长时间雷击定义为电流从波头起自峰值10%至波尾降至 峰值10%之间的时间长于2ms，且短于ls的雷击。)，甚至多次长时间雷击，那 么这个持续时间较长的残压将造成RS-485总线控制芯片的直接损坏。所以，后 续电路中要进一步进行保护处理。
当交流电源误接入RS-485接口的A、B两端，由固态放电管V3、 二极管V4、 V5、 V6、 V7组成的保护电路则瞬间将A、 B两端之间的电压钳位在-0.7V 5.7V 之间；然后再通过TVS管V8、 V9 (动作时间《lns)，将A、 B两端之间的共模、 差模电压进行过压钳位。如果通过热敏电阻F1、 F2的电流已达到或者超过该器 件的动作电流，热敏电阻将会迅速动作，其电阻值会短时间内急剧增加。这样， 大部分交流电源的压降都分摊在热敏电阻上，从而将后续电路与外部交流强电 进行隔离。当外部交流电源消失后，热敏电阻F1、 F2的电阻值会自行恢复正常。
电流瞬变抑制电压瞬变钳制电路设计是利用串联在所述两信号线上的电感 Ll、 L2其电感上电流不能突变的原理，对电流进行瞬变抑制作用，也为更为后 续保护赢得时间，并减轻对后续保护电路的压力。而固态放电管V3、 二极管V4、 V5、 V6、 V7、 TVS管V8、 V9是进一步的保护。其中，V4、 V5、 V6、 V7采用额定 电流为1A的二极管S1M; V8、 V9采用钳位电压为10V的双向TVS管SMBJ10CA。 它们的主要作用是将RS-485总线电位控制在-O. 7V 5. 7V之间，这样其后续电 路就工作在正常电压范围内。
防静电、脉冲群等瞬变干扰设计即ESD保护，由于静电、脉冲群干扰产生、 释放的速度非常快。例如，静电干扰通常在几个纳秒(ns)内完成迸发到消失
6的全过程。虽然，静电、脉冲群干扰所释放的能量并不大，但它的峰值电压远 远超过大部分半导体芯片或器件的极限参数，所以往往可以对半导体芯片或器
件造成损害。本实用新型采取的措施是TVS管及RS-485总线控制芯片均采用有防 静电保护功能类型的，如TVS管V8、 V9采用SMBJ10CA，它可瞬间(小于lns)将 RS-485总线之间的电压钳位在20V左右，起到一次保护。485通信接口芯片采用 具有防静电功能的SN65LBC184，它能承受土30KV接触放电(IEC61000-4-2)、 士15KV空气放电(IEC61000-4-2)。这样SN65LBC184起到再次保护作用。然后 通过光电隔离电路，将RS-485端口的通信信号进行隔离，保证了终端内部电路 不直接受到干扰的冲击和不良影响。
权利要求1、一种RS-485抄表通信电路，包括隔离电源系统、光电隔离电路、RS-485总线控制芯片、RS-485接口，RS-485接口输入端通过两信号线与RS-485总线控制芯片的A、B脚连接，其特征在于在RS-485总线控制芯片的前级还有电流瞬变抑制电压瞬变钳制电路、防雷防交流电源接入防过流电路，其中防雷防交流电源接入防过流电路包括分别并联在所述两信号线上并位于RS-485接口输入端的两陶瓷气态放电管(V1、V2)、分别串联在所述两信号线上的热敏电阻(F1、F2)、跨接在所述两信号线之间的固态放电管(V3)；所述电流瞬变抑制电压瞬变钳制电路包括分别串联在所述两信号线上的电感(L1、L2)及两电阻(R1、R2)、分别并联在所述两信号线上的二极管(V4、V6、V5、V7)、并联在所述两信号线上各一的TVS管(V8、V9)。
2、 根据权利要求1所述的RS-485抄表通信电路，其特征在于TVS管及 RS-485总线控制芯片均采用有防静电保护功能类型的。
3、 根据权利要求2所述的RS-485抄表通信电路，其特征在于TVS管采用 的型号是SMBJ10CA。
4、 根据权利要求2所述的RS-485抄表通信电路，其特征在于RS-485总线 控制芯片采用的型号是SN65LBC184。
专利摘要本实用新型公开了一种RS-485抄表通信电路，包括隔离电源系统、光电隔离电路、RS-485总线控制芯片、RS-485接口、电流瞬变抑制电压瞬变钳制电路、防雷防交流电源接入防过流电路，其中防雷防交流电源接入防过流电路包括分别并联在所述两信号线上并位于RS-485接口输入端的两陶瓷气态放电管、分别串联在所述两信号线上的热敏电阻、跨接在所述两信号线之间的固态放电管；所述电流瞬变抑制电压瞬变钳制电路包括分别串联在所述两信号线上的电感及两电阻、分别并联在所述两信号线上的二极管、并联在所述两信号线上各一的TVS管。本实用新型电路的性能安全可靠，为电力负荷管理与电能量数据采集提供了可靠保障。
文档编号G08C19/00GK201270088SQ20082015888
公开日2009年7月8日 申请日期2008年10月23日 优先权日2008年10月23日
发明者冯喜军, 望 张, 可 汤, 肖林松, 烟 邹, 武 阳, 黄深喜, 黄雄凯 申请人:长沙威胜信息技术有限公司