摘 要：本文以RS485的线路保护为出发点，分析了发生损坏的可能原因，介绍了预防损坏的几种方法，并对各种方法的原理进行了描述，分析了不同方法的优缺点以及适用条件。文章最后对实际的PCB布局布线也提出了建议。

关键词：RS485；浪涌；隔离保护；分流保护

概 述

RS485是由EIA在1983年提出的一种平衡式数据发送标准，满足此标准的收发器采用平衡发送和差分接收工作方式。实际上，RS485（TIA/EIA-485）通常被看作是TIA/EIA-422标准的一种扩展。由于支持多节点（32个节点，有些公司的此类器件可能会支持更多节点）、远距离（最大4000英尺）和接收高灵敏度（200mV），在构成通信网络时，仅需要一对双绞线作传输线，因此成本低廉，设备简单，在多站、远距离通信环境下获得了广泛应用。

然而实际中，485系统性能受到诸多因素的影响，如阻抗不连续或者不匹配，线缆的衰减，纯阻负载等，本文拟从线路保护方面就提高RS485系统的可靠性加以分析。

原因分析

由于网络拓扑及线路形式两方面的特点，决定了RS485系统必须考虑其防护问题。RS485网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环型或星型网络，大的瞬变常常会沿整个总线系统传播，从而引起RS485线路上多个器件的损坏。

另外，RS485收发器的A、B线上可能会存在共模与差模两种形式的瞬变，这种瞬变随即会引起巨大的"地"差别。差分输入端对地共模电压范围为-7V到+12V，超过此范围的瞬变将可能损坏器件。RS485接收器通过检测A、B线的电压状态，来决定输出的TTL逻辑电平。当A（-）、B（+）线电压差Vab（A-B）大于+200mV时，输出逻辑电平"1"；电压差小于-200mV时，输出逻辑电平"0"。虽然在判断输出逻辑电平时，并不用到地参考，但信号地的连接依然重要。因为当高频浪涌发生时，由于自感作用，收、发两端?quot;地"要做到低阻抗的电气连接是困难的。无论是只有几英尺还是上千英尺的接地系统，在浪涌发生时，在浪涌发生时，均可能在两个接地端间产生成百上千伏的电位差。此时，就不能再认为线缆两端在同一电位上，而远端节点处所接收到的信号电平，将是叠加到浪涌电压上后的电平值。

过压瞬变通常由雷电、人体静电、电源开关等引起，并时常伴有较大的浪涌能量，虽然这些浪涌电压/电流可能要比ANSI和IEC所定义的浪涌模型（雷击模型通常采用ITU K20/K21标准）小得多，但足以损坏元器件，而且浪涌能量并不总是像人们所预期的那样在几毫秒之内就消散怠尽，某些时候甚至会以一种稳定状态存在于数据网络中，给网络设施造成重大损坏。

为解决RS485系统在瞬变情况下的器件保护问题，首先应该确保系统中的所有器件都连到同一个"地"上，消除浪涌电流通过器件而形成的回路。通常有两种方式可以获得理想的共地效果：一种是将数据地从主器件的地中隔离出来；另一种就是将器件所有的"地"引脚以低阻抗的形式连接到大地。在此基础之上可以获得两种浪涌保护的方法：隔离保护与分流保护。

保护方法

隔离保护

该方式是把数据端口与主器件电路隔离，将数据的信号地与任何固定的地连接隔离。在RS485系统中通常使用光隔离器、变压器来从主器件中隔离I/O电路。光隔离器是利用光信号将电气信号实现转换，消除了电气连续性。只要电路的漂浮电平不超过隔离器的额定击穿电压（通常为1000-2500V），端口就不会损坏。该类保护并不吸收或者分流(shunt)浪涌能量，因此对瞬变状态的持续时间不敏感。即使存在连续的电位差，也不会损坏隔离器件。值得注意的是，该类保护虽然对共模瞬变很有效，但是对数据线之间的差模瞬变就无能为力了。

这种方式的好处是不要求地连接，对数据线无额外负载，但需要独立的电源供应，复杂性高，而且对持续的瞬变不敏感。电路形式如图1所示。

图1 隔离保护（略）

分流保护

分流保护的目的是使有害电流在到达数据端口之前，由保护器件如TVS管、气体泄放管发生作用，将能量泄放。此类器件正常情况下工作在所设定的钳位电压，一旦线路电压超过此钳位值，器件就迅速形成一个低阻抗的通路，进入导通状态；当瞬态电流减小到低于保持电流，泄放管重新回到截止状态，系统恢复正常。

分流保护形式通常有两种：单级和多级保护。单级保护通常是在每条线上各加一个TVS管构成。这种方法最大的优点就是构成简单、成本低廉，但可靠性差。多级保护形式如图2。用于初级保护的器件通常由气体泄放管构成，其特点是能够吸收很高的浪涌能量，能够承受瞬态下的大电流，但门限电压高，响应时间不够快。中间级由小型线绕电阻或小型有机实芯电阻构成（通常为10 ，也可用PTC构成），一方面达到限流的效果，另一方面，在初、次级间形成一定的压降。次级由响应速度较快的TVS管构成，其作用是吸收初级在泄放瞬态大电流时，在电路中感应出的能量不大的瞬态尖峰电压，将电压钳位在安全范围之内，从而保护数据电路。此类保护中，信号地与大地的连接非常重要。如果线缆长度超过1米，就需要用铜排或者编织线缆进行地连接，以获得更好的保护效果。

图2 多级保护电路（略）

上图电路的构成形式还可以略作变化如图3。这种电路略微复杂，但可靠性更高。用于初级保护的泄放管有很多品种可以选择，现在已经有专门针对RS485线路保护的器件，如TED-485。

由于保护器件需要吸收大量能量，不能承受较长时间的瞬变。保护器通常尽量靠近被保护端口，其正常工作电压应该尽可能接近线路的正常通信电平。对于RS485系统来说，通常选额定值为6-8V的器件。但是此类防护器件增加了数据线的容性负载。

组合保护

另外，还可将上述两种方法组合使用如图4。方式1中，隔离措施保护了电路不受地连接引起的电压跌落影响，而分流保护器件不仅阻止了浪涌电压超过隔离器的击穿电压，还可以处理线缆上出现的差模浪涌；方式2用在无法进行有效的大地连接的情况下，分流器件的功能主要是保护端口不受差模型浪涌的损坏。差模型浪涌在分流器件的作用下，在A、B线之间获得平衡，转化为共模型浪涌。持续时间较长的共模型浪涌，由隔离措施提供对端口的保护。

该种方式优点在于提供了板内外的同时保护，能够处理各种情况下引起的过压/过流瞬变，不利的是复杂度较高，需要考虑到不同的"地"系统，实施起来有一定的难度。

PCB设计考虑

考虑到485保护线路可能要承受的巨大浪涌能量，在布局布线时应该加以特殊考虑。敏感信号、器件应该适当远离保护电路；485系统的板上信号线宽度最好在2mm以上；使用地隔离保护时，应该尽量避免信号跨越两个不同的"地"系统，以减少EMI干扰。

结束语

线路保护增加了RS485系统物理通道的可靠性，对于提高数据网络的性能具有重要意义。值得注意的是，在RS485系统中信号地的连接，是保护线路得以发挥作用的关键。从实现的简单性、有效性等综合考虑，分流保护的通用多级保护形式是首选，该方案已经在笔者所在项目中广泛使用。