防浪涌电路总结

防浪涌电路调研总结

常用的防浪涌电路有三种方案：

一、利用传统的防雷元器件组合成防浪涌电路，例如TVS管（瞬态抑制二极管），气体放电管，PTC（热敏电阻）等。这些防雷元器件的价格都很低。

二、光耦合电路。(光隔离器件，价格较低，TPL521-4价格为2元左右。)

三、磁耦合电路。磁隔离是ADI公司iCoupler专利技术，是基于芯片级变压器的隔离技术。利用该公司生产的相关芯片可以大大简化电路，减少PCB的面积。(adm2483的价格在10元左右，adm3251e的价格在10元~20元之间。) 浪涌的来源：浪涌通常由自然界的雷电、电源系统（特别是带很重的感性负载）开关切换时引起的，浪涌的产生将带来能量巨大的瞬变过压或过流，例如感应雷在RS-485传输线上引起的瞬变干扰，其能量可在瞬间烧毁连结传输线上的全部器件。

通常所说的防浪涌，有两个耐压指标，一个是共模，一个是差模。自然界雷电或大电流切换时产生的浪涌一般认为是共模的，而差模形式的浪涌往往是由于数据电缆附近有高压线经过，数据电缆与高压线之间因绝缘不良而产生的，虽然后者比前者产生的电压和电流要小得多，但它不像前者那样只维持很短的几毫秒，而会在数据通信网络中较长时间内稳定地存在。光耦或磁耦器件标称的耐压是共模，也就是前端到后端之间的耐压。如果超过这个耐压，前端后端都一起烧坏；器件不会标称差模的耐压，这个由电路的设计来决定，如果超过这个耐压，前端烧坏，后端不会烧坏。

防浪涌电路通常分为隔离法和规避法：

一、隔离法

光耦合（需要隔离电源）

光耦合器（optical coupler，OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。

只要浪涌产生的电压幅值不超过光耦器件标称的值（通常为2500V），光耦就不会损坏，即使浪涌电压长时间地存在也不会对被隔离的设备产生损害。值得注意的是，光耦一般只能抑制共模形式的浪涌，不能抑制差模形式的浪涌。光耦

隔离在RS485或RS232通信中应用很广泛。使用光电隔离的优势是可以避免电气或磁场的噪声，而缺点是传输速度受限于LED的转换速度、高功率散射以及磨损，而且还需要一个隔离型DC-DC电源。

图1 光电隔离保护电路

二、磁耦合

磁耦基于ADI公司iCoupler磁隔离专利技术的隔离器件，也称为次隔离器。由于磁耦的目的是将输入和输出信号隔离开来，所以变压器初级端电路与变压器次级端电路必须在隔离的芯片上。变压器本身可以放置在任意芯片上。

以ADI公司的ADM2682E（适用于RS485）为例子来说明磁耦合在防浪涌中的作用。

图2 磁耦合芯片ADM2682e内部结构

ADM268E2是具备±15kV ESD保护功能的完全集成式5kV rm信号和电源隔离数据收发器，适合多点传输线路上的高速通信应用。ADM2682E集成了一个5kV rms隔离DC/DC电源，省去了外部DC/DC隔离模块。

图3 磁耦保护电路

与光耦相比，磁耦不仅仅少了一个隔离型DC-CD电源，还少了一个电平转换芯片，可大大减少PCB的面积。

二、规避法

主设备的地连在一起形成单点接地，一旦有浪涌出现就可以安全转移浪涌能量，此外有必要增加一些抑制浪涌的器件。能将浪涌所产生的额有害电流在到达数据端口前泄放到地回路中去的器件，主要有TVS管、压敏电阻、气体放电管，它们都有一个钳位电压，一旦超过该钳位电压，器件就会在连接点之间产生一个低阻抗，从而转移有害的电流，具体电路如下：

图4 防雷器件TVS保护电路

但这些器件由于转移的能量很大而不能长时间维持。一般这些器件安装在数据线与地之间，对于RS485或RS422系统来说，应该选择额定电压为6~8V的器件，同时，它们通常会给数据线带来一些容性负载，因此在设计系统时有必要考虑减少整个系统数据线的长度。安装器件时应尽可能地靠近被保护的设备，另外，用户必须保证被保护设备的接地点与地之间的阻抗非常小，而且接地点与地连接用的线最好又粗又短，若超出1m，应使用铜带线或编制电缆。

（1）单级防护

数据线只需接一个TVS。

（2）三级防护

第一级是气体放电管，可泄放大电流，由于浪涌同时产生非常高的尖峰电压，气体放电管太慢不能保护后面的固态电路；第二级是小电阻，一方面可限流，另一方面在第一级与第三级产生一个压降；第三级是TVS管，可足够快地保护后面的固态电路，将电压钳位在一个安全的水平，从而保护数据线。

图5 TVS管、气体放电管及PTC组成的保护电路（RS485）

图6 TVS管、气体放电管及PTC组成的保护电路（RS232）

三、隔离法与规避法的结合

图7 隔离器件与TVS管的结合（信号地与大地连接）若将隔离法与规避法相结合，则可更好地保护系统，具体电路如上图。图中，信号地与大地是连接的，有了隔离器件就可使主设备不受接地点上可能产生的电压降的影响。另外，规避器件一方面可抑制浪涌保护隔离器件，另一方面也可抑制数据线上产生的差模形式的浪涌。图8中，信号地未与大地连接，规避器件可抑制数据线上产生的差模形式的浪涌，同时差模形式的浪涌被平衡转化成共模形式的浪涌，隔离器件正好可抑制它，从而保护主设备。

图8 隔离器件与TVS管的结合（信号地与大地不连接）