RS485保护电路的设计

1，问题：

最近设计的一块板子的RS485接口因为高电压被击穿烧毁， 惨不忍睹。 可以见图片。

                              图一 事故现场

其具体严重的后果有三个：

• TVS被击穿；
• RS485芯片损毁；
• MCU不能正常工作。

2，原因：

测试人员在搭建测试环境时，电源正负极反接造成的。

3，具体电路分析：

在系统中主控板和节点设备均使用相同的RS485芯片和电路，唯一的区别是主设备对节点设备提供24V的电源输出，即在主控端， VIN+为输出端， 提供24V（9~36V）电源， 而在节点设备端， VIN+为输入端， 获得板子的24V供电。

                                                                                                            图二： 节点设备RS485电路

                                                                                                          图三： 主控设备RS485电路

 

当系统正常连接如下图四时， 系统工作正常。

                                                   图四： RS485系统互联

而测试人员将正负极反接，错误连接方式：

 

                     图五： RS485系统错误连接

为了分析原因，本人将错误连接方式下的电流方向重新用粗线标示。

在下图中， 24V电源通过J1的Pin4进入节点设备的0V网络，然后通过R2进入RS485的信号线RS485 B-（此时通过Z1同时进入信号RS485 A+）。 因为主控制器和节点设备是互联的， 因此24V电源直接供给了主设备的D2和IS83072的Pin7,超过了他们的最大允许工作电压. 最终的结果是D2和IS83072直接烧毁。因为主控端的MCU（图中未画出）和IS83072通过UART接口相连， 同样被损毁而不能工作（个人猜测是高压24V通过 USART1 TX， USART1 DE和USART1 RX进入了MCU）。

                                                                                                          图六： RS485系统错误连接时的电流走向

在此附上D2和ISL83072的允许最大工作电压：

ISL83072的电压范围  -9~13V

 

CDSOT23-SM712 最大工作电压7.0和12V

 

,4，电路改进方法：

（1），在J1的Pin4 添加反向二极管。

将节点设备电源的反向保护二极管移动到电源的负极。如下图七所示。

优点：

电路简单， 电路不用大的修改， BOM表不变。

缺点：节点设备和主控设备的地平面有0.7V的差异； 主控设备必须连接自己公司的节点设备。如果连接其他公司的设备，不能保证能够得到有效保护。

                                                                                                                                      图七： 电路改进方法1

（2），在RS485电路的前端添加过压保护电路。

本人没有搜索到简单易用的过压保护电路。 如果有朋友有推荐电路，麻烦请告知，多谢。

 

（3），更换支持高电压保护的RS485芯片

在寻找RS485过压保护电路的过程中，发现多家芯片公司都能够提供过压保护的RS485芯片。

综合考虑成本， 封装兼容等因数， 本人选择了TI的THVD2410DGK， 在此列举其主要特性。

 

其中主要的一些特性：

3~5.5V 供电电压兼容；

70V 电压保护，对于24V的系统足够安全；

最高速率500 kbps满足大部分的传输速度要求。如果需要更快的速度可以更换为2450系列芯片，最高达到50Mbps

 

根据新的RS485芯片， 同时重新选择TVS保护器件为SMA6J36CA。

更新后的电路如下：

当主控设备提供24V电压时，Z5和Z6的反向截止电压为36V，不能击穿。 U2的Pin7最高电压为70V， 也能安全工作。