防雷防浪涌电路设计

通信线路或者电源线路通常会铺设到户外，一旦线路铺到户外后，就需要考虑防雷的问题了，那么怎么设计保护电路，能够防止雷电等浪涌对电路的破坏呢？

通信线路或者电源线路通常会铺设到户外，一旦线路铺到户外后，就需要考虑防雷的问题了。本文通过RS485接口保护电路的设计，简单介绍一下防雷防浪涌电路的设计方法。

雷击的影响包括2种：直接雷和感应雷。这些能量如果直接进入到RS485电路中，就会将电路烧毁。因此防雷电路根本目的是将雷电的大部分能量通过防雷电路泄放掉，使得进入RS485电路的能量降低到可以接受的程度。

通常防雷电路包含3个组成部分：气体放电管GDT、去耦电阻和瞬态抑制二极管TVS。

为什么需要三级呢？

这要从气体放电管的特性说起。气体放电管是用于过电压保护的避雷管，放电管常用于多级保护电路中的第一级或前两级，起泄放雷电瞬时过电流和限制过电压作用。放电管的缺点是触发电压较高，起作用的延迟比较大。因此在放电管起作用之前，还需要额外的保护电路。因此需要后一级的TVS，TVS也是用于过压保护的，而且TVS的反应灵敏，能够将电压钳位到比较低的值。但是大量的电流流过TVS的话，很快就会烧毁TVS，因此TVS前还需要电阻进行限流。

所以在浪涌来到时，整个保护电路的工作过程是：由于分布电容的存在，浪涌电压不是瞬变的，而是逐渐升高的，只是升高的速度非常的快。在这期间，TVS首先起作用，然后当浪涌电压达到气体放电管的触发电压后，气体放电管开始工作，泄放浪涌的能量，但是气体放电管导通后还会有一些残压，如果残压超过了TVS的工作电压时，这些残压再次由TVS泄放到大地上。

了解原理之后，最重要的是器件的选型。

首先是TVS，它的型号比较好选，因为TVS是最后一级，因此需要将电压钳位在安全范围以内。以MAX3485这款RS485接口芯片为例，其A/B上的最大电压范围是-7~12V，TVS要将电压限制在这个范围内，所以A、B端与AB间的TVS可以选择SMBJ6.0CA，当电压超过6V时TVS开始导通，随着电压的升高TVS会将电压钳制在6.7V左右。

接下来要计算气体放电管的参数，因为RS485总线上的电压很低，因此可以选择一个击穿电压低的放电管，比如BOURNS公司的2036-07，其直流击穿电压是75V，因此不会影响RS485总线的正常工作，其脉冲击穿电压是250V，因此在浪涌电压升到250V之前需要由TVS先进行保护。

最后是选择气体放电管和TVS之间的去耦电阻的阻值，因为气体放电管在浪涌电压升到250V之前是不起作用的，因此在这期间就需要TVS进行保护，而去耦电阻就需要进行限流。

通过上面的电路可以看出，气体放电管GDT是和去耦电阻、TVS是并联的，因此可以得到一个公式： U G D T = U R + U T V S U_{GDT} = U_{R} + U_{TVS} UGDT​=UR​+UTVS​ 此时 U G D T = 250 V U_{GDT} = 250V UGDT​=250V U T V S = 6.7 V U_{TVS} = 6.7V UTVS​=6.7V U R = U G D T − U T V S = 250 − 6.7 = 243.3 V U_{R} = U_{GDT} - U_{TVS} = 250-6.7=243.3V UR​=UGDT​−UTVS​=250−6.7=243.3V

而TVS允许的最大脉冲电流是58.3A，所以可以计算电阻最小值是

R m i n = U R I m a x = 243.3 58.3 = 4.17 Ω R_{min} = \frac{U_{R}}{I_{max}}=\frac {243.3} {58.3} = 4.17\varOmega Rmin​=Imax​UR​​=58.3243.3​=4.17Ω

所以电阻可以选择4.7Ω或者更大一些的，比如10Ω，但是也不能太大，否则可能影响RS485总线上的通信。电阻要选择MELF类型的电阻，这种电阻有很好的脉冲负载能力。

以上就是RS485的防雷防浪涌保护电路的设计过程。可以看出单独的气体放电管GDT或者单独的TVS都不能独立完成保护工作，而是需要GDT和TVS的两级保护。通过上面的分析过程，也可以将这个保护电路扩展到其它的电路中，比如对直流电源输入端的保护，正确的选择对应GDT、TVS型号和去耦电阻的阻值就可以实现设计了。