【技术大神】基于气体放电管和TVS的通讯管理机三级防护

时间： 2018-03-16 来源：世强作者：drwyh

技术问答

笔者参与设计的项目——通讯管理机可提供串口转网络功能，能够将RS-232/485/422串口转换成TCP/IP网络接口，实现RS-232/485/422串口与TCP/IP网络接口的数据双向透明传输。使得串口设备能够立即具备TCP/IP网络接口功能，连接网络进行数据通信，极大的扩展串口设备的通信距离。

前光伏电站越来越多，光伏电池板板汇流箱的信息是RS485接口，需要通过串口服务器转换为TCP/IP传到主站，光伏电站一般都安装在户外，沙漠等空地上，环境非恶劣，故RS485端口防护也是异常的重要，需要能够抗击外界雷击，EFT，静电干扰。

根据上述的防护要求，我们的项目设想是RS485需要防护到工业四级的要求。于是我们联系了LITTELFUSE的工程师，他们提出了对应的防护方案，即采用三级防护方案，能够对RS485接口进行静电，EFT，浪涌的防护。通过三级防护的通讯管理机系统框图如图1所示。

图1 通讯管理机的系统框图

本方案采用三级防护策略，第一级采用Littelfuse的气体放电管 GTCS28-471M-R10-2组成的共差模防护，第二级采用RC电路对干扰的泄放，第三级采用Littelfuse的TVS管5.0SMDJ12A对芯片进行差共模防护。

Littelfuse的气体放电管具有稳定可靠，通流能力大，漏电流小的优势；其TVS具有钳位电压小，结电容小，抗静电能力强的优势。所以这两颗料在性能上非常满足我们项目的设计需求。

我们在第一版设计中，不加防护器件，施加干扰的时候，RS485芯片很容易被损坏。后续通过改版，加入了三级防护电路后，系统性能大大的加强，能够通过我们要求的工业四级的抗干扰测试。如图2所示为改版后的RS485防护电路图。

图2 RS485防护电路图

我们在测试时，RS485向网口发送数据，监视通信数据收发情况。测试结果如图3所示，测试样机如图4所示。

测试项目	测试方法	测试结论
静电	空气放电：±15KV 接触放电：±8KV 对机箱面板人手容易接触部分施加指定放电电压，观察收发器的工作状况。	通过
浪涌	电平：差模±2KV，共模±4KV；试验脉冲次数：正负各5次；脉冲间隔时间：30s 施加在电源处，观察收发器的工作状态。	通过
EFT	电平：±2KV（电源回路）；干扰信号重复频率：5KHZ，干扰信号持续时间：正负极性各120s	通过

图3 RS485防护的以太网测试报告

图4 测试样机

通过该通讯管理机防护设计，笔者也总结了以下在设计时需要注意的要点：

1.防护器件需要放置于接口处，这样干扰进来后能够马上泄放，不至于直接干扰到芯片；

2.选择器件的时候，防护器件的通流量要满足工业四级的要求，不然容易打坏器件；

3.在PCB设计时，需要留足差模、共模之间的安全距离，一般1mm耐压1KV的规则设计。

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数据手册 - LITTELFUSE - 2017年08月15日 PDF 英文下载

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数据手册 - LITTELFUSE - Revised: 11/23/16 - 2017年08月15日 PDF 英文下载

Littelfuse（力特）电路保护器件在无人机的应用

描述- 适用于无人机的Littelfuse（力特）保护方案

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应用及方案 - LITTELFUSE - 2016年11月28日 PDF 中文下载

Littelfuse（力特） GTCX25-XXXM-R02 气体放电管数据手册

型号- GTCX25-231M-R02,GTCX25-XXXM-R02,GTCS25-141M-R02,GTCN25-750M-R02,GTCS25-201M-R02,GTCA25-261M-R02,GTCS25-301M-R02,GTCS25-401M-R02,GTCS25-501M-R02,GTCS25-601M-R02,GTCX25-900M-R02,GTCX25-201M-R02,GTCX25-301M-R02,GTCA25-231M-R02,GTCN25-141M-R02,GTCX25-601M-R02,GTCX25-501M-R02,GTCX25-401M-R02,GTCS25-471M-R02,GTCN25-601M-R02,GTCA25-251M-R02,GTCA25-900M-R02,GTCA25-XXXM-R02,GTCN25-471M-R02,GTCX25-421M-R02,GTCX25-261M-R02,GTCA25-421M-R02,GTCN25-201M-R02,GTCN25-401M-R02,GTCS25-750M-R02,GTCN25-551M-R02,GTCA25-141M-R02,GTCX25-141M-R02,GTCN25-151M-R02,GTCN25-351M-R02,GTCS25-421M-R02,GTCX25-750M-R02,GTCN25-231M-R02,GTCX25-551M-R02,GTCN25-900M-R02,GTCA25-750M-R02,GTCS25-251M-R02,GTCS25-351M-R02,GTCS25-551M-R02,GTCX25-351M-R02,GTCN25-XXXM-R02,GTCX25-251M-R02,GTCN25-261M-R02,GTCX25-151M-R02,GTCA25-301M-R02,GTCA25-401M-R02,GTCA25-501M-R02,GTCA25-601M-R02,GTCS25-231M-R02,GTCA25-201M-R02,GTCN25-421M-R02,GTCA25-151M-R02,GTCA25-351M-R02,GTCA25-551M-R02,GTCX25-471M-R02,GTCS25-151M-R02,GTCS25-261M-R02,GTCA25-471M-R02,GTCS25-XXXM-R02,GTCN25-301M-R02,GTCS25-900M-R02,GTCN25-501M-R02,GTCN25-251M-R02

数据手册 - LITTELFUSE PDF 英文下载

防雷设计中气体放电管主要作用是什么？

（1）气体放电管主要用于防雷设计的电气前端，他具有击穿电压高，电流通量大（一般可以到几百到几千安），钳位电压高的特点。（2）一般后面都配合有MOV和TVS一起做浪涌吸收。

技术问答发布时间 : 2017-10-10

以太网接口RJ45的静电防护选什么类型的保护器件较好？

在以太网接口上速率比较高，电平为差分，最大不会超过5V，一般是3.3V左右，因此SP3002-4瞬态抑制二极管阵列比较适合，它的结电容为0.85pF（比较低），反向工作电压为6V，EDS等级为12KV的接触放电。

技术问答发布时间 : 2017-10-10

SL1021A/SL1021B系列气体放电管数据手册

型号- SL1021A145,SL1021A200,SL1021A420,SL1021A300,SL1021A090C,SL1021A400,SL1021A500,SL1021B090R,SL1021A600,SL1021B150,SL1021B250,SL1021A260,SL1021B075,SL1021B350,SL1021B230,SL1021B450,SL1021B090C,SL1021A090,SL1021XXXXXXX,SL1021,SL1021B300,SL1021B400,SL1021B500,SL1021B260,SL1021A150,SL1021A250,SL1021A350,SL1021A230,SL1021A450,SL1021B145,SL1021B420,SL1021B090,SL1021A,SL1021B,PMT8XXXXX

数据手册 - LITTELFUSE - 11/06/15 - 2015年06月11日 PDF 英文下载