專利名稱：Rs-485抄表通信電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種應(yīng)用于電力負荷管理與電能量數(shù)據(jù)采集終端的RS-485 抄表通信電路。
背景技術(shù)：
電力負荷管理與電能量數(shù)據(jù)采集終端(以下簡稱"終端")的RS-485抄表 通信端口，是終端實現(xiàn)電能量數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)單元，對于終端RS485抄表通信 電路來說其安全可靠性是非常重要的。 一方面由于終端的RS-485通信網(wǎng)絡(luò)采用 雙絞線作傳輸線，傳輸線一般在室外架空或沿電纜溝敷設(shè)。在雷雨季節(jié)常發(fā)生 因雷電在傳輸線上引起瞬變干擾而損壞器件。并且RS-485網(wǎng)絡(luò)拓撲通常采用一 條總線將各個節(jié)點串接起來，雷電引發(fā)的瞬變往往導(dǎo)致傳輸線上的多個RS-485 收發(fā)器損壞。其次，在終端現(xiàn)場施工和維護過程中，由于施工或維護人員的疏 忽，可能會將交流電源(如220VAC交流電壓輸入)誤接入RS-485通信端口 ， 從而直接造成終端損壞。同時，在終端長期運營過程中，因為氣候環(huán)境惡劣， RS-485通信線到交流電源的絕緣性能會下降甚至短接(例如RS-485通信線銅 皮裸露造成與交流電源的短接問題；或因為空氣潮濕，RS-485通信端口與交流 電源的絕緣性能臨時性下降)，從而導(dǎo)致RS-485通信端口甚至終端發(fā)生損壞。 所以，防交流電源接入措施也是終端RS-485抄表通信電路設(shè)計必須妥善處理的 問題。另外，終端運行的工況條件非常惡劣，尤其，終端周邊設(shè)備通常為電力 設(shè)備或強電裝置，其電磁干擾非常強烈。按照國家電力部行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和各地 終端招標(biāo)技術(shù)條件，終端氣候環(huán)境條件級別、電磁兼容(EMC)試驗要求通產(chǎn)都 是各個級別中最嚴(yán)格的。例如終端氣候環(huán)境條件為C3級別，則要求終端適應(yīng) 的空氣溫度范圍為-40 +70°C，相對濕度范圍為10%RH 100%RH。終端的靜電 放電抗擾度、高頻干擾、電快速瞬變脈沖群抗擾度、高頻振蕩波抗擾度、浪涌 抗擾度等試驗項目，均按其中最嚴(yán)格的級別進行要求。上述3個方面的問題現(xiàn)
3有技術(shù)中雖然也有不同程度的考慮，比如采用隔離電源系統(tǒng)、RS-485總線控制 芯片、光電隔離電路等，但可靠性仍然欠佳，沒有全盤上述解決。因此如何才 能充分保證終端RS-485抄表通信電路的安全可靠性仍是目前亟待解決的問題。
本實用新型的目的在于提供一種安全可靠的用于電力負荷管理與電能量數(shù) 據(jù)采集終端的RS-485抄表通信電路。
本實用新型提供的這種RS-485抄表通信電路包括隔離電源系統(tǒng)、光電隔離 電路、RS-485總線控制芯片、RS-485接口， RS-485接口輸入端通過兩信號線 與RS-485總線控制芯片A、 B腳，其特征在于在RS-485總線控制芯片的前級還 有電流瞬變抑制電壓瞬變鉗制電路、防雷防交流電源接入防過流電路，其中防 雷防交流電源接入防過流電路包括分別并聯(lián)在所述兩信號線上并位于RS-485 接口輸入端的兩陶瓷氣態(tài)放電管(Vl、 V2)、分別串聯(lián)在所述兩信號線上的熱敏 電阻(Fl 、 F2)、跨接在所述兩信號線之間的固態(tài)放電管(V3);所述電流瞬變 抑制電壓瞬變鉗制電路包括分別串聯(lián)在所述兩信號線上的電感(Ll、 L2)及兩 電阻(Rl、 R2)、分別并聯(lián)在所述兩信號線上的二極管(V4 、 V6、 V5、 V7)、并 聯(lián)在所述兩信號線上各一的TVS管(V8、 V9)。
本實用新型的RS-485總線控制芯片及TVS管均采用有防靜電保護功能類型的。
從本實用新型的技術(shù)方案可以看出，它具有四層保護電路，第一層保護電 路是防雷防交流電源接入防過流電路，當(dāng)終端遇到雷擊干擾時，該電路會迅速 將RS-485端口 A、 B信號線的電位鉗位到正常水平上，并通過雪崩擊穿狀態(tài)的 放電管，將多余干擾能量迅速泄放到信號地回路，達到保護終端電路系統(tǒng)的目 的。當(dāng)RS-485端口誤接入交流電源情況時，相關(guān)保護電路會產(chǎn)生相應(yīng)動作，利 用大電流下熱敏電阻發(fā)熱的特性迅速地將接入的交流電源承擔(dān)下來，使終端內(nèi) 部弱電部分與外部強電阻隔開，當(dāng)RS-485端口外部輸入的強電消失后，相關(guān)電 路的保護動作自動撤銷，電路恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。第二層保護電路是電流瞬 變抑制電壓瞬變鉗制電路，主要解決大干擾信號經(jīng)過第一層保護電路后的殘余 干擾信號問題，同時，當(dāng)RS-485端口輸入電位超過正常幅度(但該電位還沒有 使得放電管產(chǎn)生相應(yīng)保護動作)，本層保護電路也將進行電壓鉗位保護，使RS-485端口在第二層保護電路中，其A、 B信號線電位保持在正常電位水平上。 第三層保護電路實際上是采用具備ESD保護功能的TVS管，主要作用是防靜電、 脈沖群等瞬變干擾。由于經(jīng)過本層保護電路之后，干擾信號將直接沖擊RS-485 總線控制芯片，為保證本設(shè)計具有更高可靠性，所以在本層保護電路設(shè)計中， TVS管應(yīng)優(yōu)選專門面向ESD保護設(shè)計的器件，要求其動作速度應(yīng)足夠快速，防 止由于器件動作速度慢、保護動作響應(yīng)不夠及時，導(dǎo)致RS-485總線控制核心芯 片瞬間損壞。第四層保護電路主要由隔離電源系統(tǒng)、RS-485總線控制芯片和光 電隔離電路組成，本層保護電路中，RS-485總線控制芯片應(yīng)優(yōu)選自身具有抗ESD 保護的器件。另外，通過光電隔離電路，將RS-485端口的通信信號進行隔離， 保證了終端內(nèi)部電路不直接受到干擾的沖擊和不良影響。上述四層保護使本實 用新型電路的性能安全可靠，為電力負荷管理與電能量數(shù)據(jù)采集提供了可靠保 障。


圖l是本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本實用新型一個實施方式的電路圖。
具體實施方式

從圖1可以看出本實用新型仍然具有由隔離電源系統(tǒng)、RS-485總線控制芯 片和光電隔離電路組成保護電路，還有ESD保護電路、電流瞬變抑制電壓瞬變 鉗制電路、防雷防交流電源接入防過流電路。
從圖2可以看出在RS-485接口輸入端有兩信號線與RS-485總線控制芯片 的A、 B腳連接，作為本實用新型的第一層保護電路是防雷防交流電源接入防過 流電路，該電路包括分別并聯(lián)在所述兩信號線上并位于RS-485接口輸入端的兩 陶瓷氣態(tài)放電管V1、 V2;分別串聯(lián)在所述兩信號線上的熱敏電阻F1、 F2;跨接 在所述兩信號線之間的固態(tài)放電管V3，第二層保護電路是電流瞬變抑制電壓瞬 變鉗制電路，該電路包括分別串聯(lián)在所述兩信號線上的電感Ll、 L2及兩電阻 Rl、 R2;分別并聯(lián)在所述兩信號線上的二極管(V4 、 V6、 V5、 V7);并聯(lián)在所 述兩信號線上各一的TVS管(V8、 V9)，其中二極管V4 、 V6分別與所述的兩信 號線中的一根并聯(lián)，二極管V5、 V7分別與另一根并聯(lián)。在本實施方式中陶瓷氣的型號為ARR-AM470L-CA8，其直流擊穿電壓為470V,耐 短路電流10kA。電感L1、 L2采用型號為LGA0410-102K，兩TVS管V8、 V9采用 鉗位電壓為10V的雙向TVS管SMBJ10CA。
防雷保護設(shè)計主要是兩個陶瓷氣態(tài)放電管V1、 V2。當(dāng)這兩個氣態(tài)放電管發(fā) 生保護動作時，可以迅速轉(zhuǎn)移大部分的瞬變能量，并且由于它沒有分布電感或 電容，所以其通流容量極大，特別適合用于吸收直擊雷和感應(yīng)雷造成的巨大干 擾能量。不過，氣態(tài)放電管的動作反應(yīng)時間相對較慢(《100ns)，所以仍然會 有幅度達到或者超過20V的殘壓和瞬變電流串入到后級電路。如果外部雷擊干 擾是長時間雷擊(注長時間雷擊定義為電流從波頭起自峰值10%至波尾降至 峰值10%之間的時間長于2ms，且短于ls的雷擊。)，甚至多次長時間雷擊，那 么這個持續(xù)時間較長的殘壓將造成RS-485總線控制芯片的直接損壞。所以，后 續(xù)電路中要進一步進行保護處理。
當(dāng)交流電源誤接入RS-485接口的A、B兩端，由固態(tài)放電管V3、 二極管V4、 V5、 V6、 V7組成的保護電路則瞬間將A、 B兩端之間的電壓鉗位在-0.7V 5.7V 之間；然后再通過TVS管V8、 V9 (動作時間《lns)，將A、 B兩端之間的共模、 差模電壓進行過壓鉗位。如果通過熱敏電阻F1、 F2的電流已達到或者超過該器 件的動作電流，熱敏電阻將會迅速動作，其電阻值會短時間內(nèi)急劇增加。這樣， 大部分交流電源的壓降都分?jǐn)傇跓崦綦娮枭?，從而將后續(xù)電路與外部交流強電 進行隔離。當(dāng)外部交流電源消失后，熱敏電阻F1、 F2的電阻值會自行恢復(fù)正常。
電流瞬變抑制電壓瞬變鉗制電路設(shè)計是利用串聯(lián)在所述兩信號線上的電感 Ll、 L2其電感上電流不能突變的原理，對電流進行瞬變抑制作用，也為更為后 續(xù)保護贏得時間，并減輕對后續(xù)保護電路的壓力。而固態(tài)放電管V3、 二極管V4、 V5、 V6、 V7、 TVS管V8、 V9是進一步的保護。其中，V4、 V5、 V6、 V7采用額定 電流為1A的二極管S1M; V8、 V9采用鉗位電壓為10V的雙向TVS管SMBJ10CA。 它們的主要作用是將RS-485總線電位控制在-O. 7V 5. 7V之間，這樣其后續(xù)電 路就工作在正常電壓范圍內(nèi)。
防靜電、脈沖群等瞬變干擾設(shè)計即ESD保護，由于靜電、脈沖群干擾產(chǎn)生、 釋放的速度非?？?。例如，靜電干擾通常在幾個納秒(ns)內(nèi)完成迸發(fā)到消失
6的全過程。雖然，靜電、脈沖群干擾所釋放的能量并不大，但它的峰值電壓遠 遠超過大部分半導(dǎo)體芯片或器件的極限參數(shù)，所以往往可以對半導(dǎo)體芯片或器
件造成損害。本實用新型采取的措施是TVS管及RS-485總線控制芯片均采用有防 靜電保護功能類型的，如TVS管V8、 V9采用SMBJ10CA，它可瞬間(小于lns)將 RS-485總線之間的電壓鉗位在20V左右，起到一次保護。485通信接口芯片采用 具有防靜電功能的SN65LBC184，它能承受土30KV接觸放電(IEC61000-4-2)、 士15KV空氣放電(IEC61000-4-2)。這樣SN65LBC184起到再次保護作用。然后 通過光電隔離電路，將RS-485端口的通信信號進行隔離，保證了終端內(nèi)部電路 不直接受到干擾的沖擊和不良影響。
權(quán)利要求1、一種RS-485抄表通信電路，包括隔離電源系統(tǒng)、光電隔離電路、RS-485總線控制芯片、RS-485接口，RS-485接口輸入端通過兩信號線與RS-485總線控制芯片的A、B腳連接，其特征在于在RS-485總線控制芯片的前級還有電流瞬變抑制電壓瞬變鉗制電路、防雷防交流電源接入防過流電路，其中防雷防交流電源接入防過流電路包括分別并聯(lián)在所述兩信號線上并位于RS-485接口輸入端的兩陶瓷氣態(tài)放電管(V1、V2)、分別串聯(lián)在所述兩信號線上的熱敏電阻(F1、F2)、跨接在所述兩信號線之間的固態(tài)放電管(V3)；所述電流瞬變抑制電壓瞬變鉗制電路包括分別串聯(lián)在所述兩信號線上的電感(L1、L2)及兩電阻(R1、R2)、分別并聯(lián)在所述兩信號線上的二極管(V4、V6、V5、V7)、并聯(lián)在所述兩信號線上各一的TVS管(V8、V9)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的RS-485抄表通信電路，其特征在于TVS管及 RS-485總線控制芯片均采用有防靜電保護功能類型的。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的RS-485抄表通信電路，其特征在于TVS管采用 的型號是SMBJ10CA。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的RS-485抄表通信電路，其特征在于RS-485總線 控制芯片采用的型號是SN65LBC184。
專利摘要本實用新型公開了一種RS-485抄表通信電路，包括隔離電源系統(tǒng)、光電隔離電路、RS-485總線控制芯片、RS-485接口、電流瞬變抑制電壓瞬變鉗制電路、防雷防交流電源接入防過流電路，其中防雷防交流電源接入防過流電路包括分別并聯(lián)在所述兩信號線上并位于RS-485接口輸入端的兩陶瓷氣態(tài)放電管、分別串聯(lián)在所述兩信號線上的熱敏電阻、跨接在所述兩信號線之間的固態(tài)放電管；所述電流瞬變抑制電壓瞬變鉗制電路包括分別串聯(lián)在所述兩信號線上的電感及兩電阻、分別并聯(lián)在所述兩信號線上的二極管、并聯(lián)在所述兩信號線上各一的TVS管。本實用新型電路的性能安全可靠，為電力負荷管理與電能量數(shù)據(jù)采集提供了可靠保障。
文檔編號G08C19/00GK201270088SQ20082015888
公開日2009年7月8日 申請日期2008年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日
發(fā)明者馮喜軍, 望 張, 可 湯, 肖林松, 煙 鄒, 武 陽, 黃深喜, 黃雄凱 申請人:長沙威勝信息技術(shù)有限公司