RS485保護電路的設計

1問題：

最近設計的一塊板子的RS485接口因為高電壓被擊穿燒毀， 慘不忍睹。可以見圖片。

圖一 事故現場

其具體嚴重的后果有三個：

TVS被擊穿；

RS485芯片損毀；

MCU不能正常工作。

2原因：

測試人員在搭建測試環境時，電源正負極反接造成的。

3具體電路分析：

在系統中主控板和節點設備均使用相同的RS485芯片和電路，唯一的區別是主設備對節點設備提供24V的電源輸出，即在主控端， VIN+為輸出端， 提供24V（9~36V）電源， 而在節點設備端， VIN+為輸入端， 獲得板子的24V供電。

圖二：節點設備RS485電路

圖三：主控設備RS485電路

當系統正常連接如下圖四時， 系統工作正常。

圖四：RS485系統互聯

而測試人員將正負極反接，錯誤連接方式：

圖五：RS485系統錯誤連接

為了分析原因，本人將錯誤連接方式下的電流方向重新用粗線標示。

在下圖中， 24V電源通過J1的Pin4進入節點設備的0V網絡，然后通過R2進入RS485的信號線RS485 B-（此時通過Z1同時進入信號RS485 A+）。因為主控制器和節點設備是互聯的， 因此24V電源直接供給了主設備的D2和IS83072的Pin7,超過了他們的最大允許工作電壓. 最終的結果是D2和IS83072直接燒毀。因為主控端的MCU（圖中未畫出）和IS83072通過UART接口相連， 同樣被損毀而不能工作（個人猜測是高壓24V通過 USART1 TX， USART1 DE和USART1 RX進入了MCU）。

圖六：RS485系統錯誤連接時的電流走向

在此附上D2和ISL83072的允許最大工作電壓：

ISL83072的電壓范圍-9~13V

CDSOT23-SM712 最大工作電壓7.0和12V

4電路改進方法：

（1）在J1的Pin4 添加反向二極管。

將節點設備電源的反向保護二極管移動到電源的負極。如下圖七所示。

優點：

電路簡單， 電路不用大的修改， BOM表不變。

缺點：節點設備和主控設備的地平面有0.7V的差異；主控設備必須連接自己公司的節點設備。如果連接其他公司的設備，不能保證能夠得到有效保護。

圖七：電路改進方法1

（2）在RS485電路的前端添加過壓保護電路。

本人沒有搜索到簡單易用的過壓保護電路。如果有朋友有推薦電路，麻煩請告知，多謝。

（3）更換支持高電壓保護的RS485芯片

在尋找RS485過壓保護電路的過程中，發現多家芯片公司都能夠提供過壓保護的RS485芯片。

綜合考慮成本，封裝兼容等因數，本人選擇了TI的THVD2410DGK， 在此列舉其主要特性。

其中主要的一些特性：

3~5.5V 供電電壓兼容；

70V 電壓保護，對于24V的系統足夠安全；

最高速率500 kbps滿足大部分的傳輸速度要求。如果需要更快的速度可以更換為2450系列芯片，最高達到50Mbps

根據新的RS485芯片， 同時重新選擇TVS保護器件為SMA6J36CA。

更新后的電路如下：

當主控設備提供24V電壓時，Z5和Z6的反向截止電壓為36V，不能擊穿。U2的Pin7最高電壓為70V， 也能安全工作。